cmos的原理及其应用1

                姓  名:关建军              学  号:20105044012

学  院:物理电子工程学院    专  业:电子科学与技术

                指导老师:马占卿            职  称:副教授

摘 要:CMOS传感器中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料,后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，并且以具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点成为图像传感器的主流趋势。CMOS传感器按为像素结构分被动式与主动式两种，其在图像传感器在光检测方面利用了硅的光电效应原理，将光信号转化为电信号然后将之还原成图像。

关键词：CMOS;传感器;图像；金属氧化物半导体

The CMOS sensor principle and application

Abstract:The CMOS sensor Chinese scientific name is complementary metal oxide semiconductor, it is a kind of important in a computer system of the chip, save the system the most basic material guide, later found CMOS after processing can also act as a digital photography of the image sensor, and with low cost, low power consumption, and the characteristics of high integrity become the main trend in the image sensor. The CMOS sensor for pixel structure according to the passive and active two points, the image sensor in the light of the silicon in the inspection of the photoelectric effect principle, the light signal into electrical signals and then will convert into images.

Key Words:CMOS;sensor;image;Metal oxide semiconductor

引言

自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感 器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。 

70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Pro_pul_sion Laboratory(JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型 图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Ver_sion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。

1.CMOS传感器的工作原理及分类

CMOS型固态图像传感器在光检测方面利用了硅的光电效应原理，在像素光生电荷的读出方式方面，CMOS图像传感器芯片的结构 如图1所示。典型的CMOS像素阵列[3]，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上（图2），位线末端是多路选择器，按照各列的列编址进行选择。  

图1                            

                                 图2  

　完整的 CMOS 图像传感器包含如图 3 所示的各功能块。下面分别介绍各功能块的作用。

                 图3  图像传感器的框图 

1 　敏感元件阵列阵列中的每个像素如图  所示 ,工作过程如下:

    (1)首先进入“复位状态” ,此时打开门管 M ,电容被充电至 V r ,二极管处于                         反向状态.

    (2)然后进入“取样状态”。这时关闭门管 M ,在光照下二极管产生光电流 ,使电容上存贮的电荷放电 ,经过一个固定时间间隔后 ,电容 C 上存留的电荷量就与光照成正比例 ,这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了.

    (3) 最后进入“读出状态”。这时再打开门管M ,逐个读取各像素中电容 C上存贮的电荷电压。

2 　灵敏放大器

　　在敏感元件阵列中 ,各像素上反映光强的电荷量(电压信号) ,是一个很弱的电信号 ,必须进行放大 ,所以要求放大器不仅要十分灵敏 ,而且具有低的噪声。

3 　阵列扫描电路

　　水平移位寄存器可完成水平方向的扫描 ,利用它 ,可以实现从左向右或从右向左 ,依次读出某行中各列像素中的电信号。垂直移位寄存器可完成垂直方向的扫描 ,利用它 ,可以实现从上向下依次读出每行各像素中的电信号 ,从而实现了对一幅图像信息的扫描。为了输出到外电路 ,还要通过输出放大器 ,以提高驱动能力。

4 　控制电路

　　为了获得质量合格的实用摄像头 ,芯片中必须包含各种控制电路 ,如曝光时间控制、自动增益控制及 r 校正等。

5 　时序电路

　　为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作 ,必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用 ,还要求该芯片能输出一些时序信号 ,如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

CMOS图像传感器根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素 主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

被动式像素结构（Passive Pixel Sensor.简称PPS）,又叫无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线（Column bus）连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数,当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以了应用，很快被APS代替。

主动式像素结构(Active Pixel Sensor.简称APS),又叫有源式, 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时,人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40%～50%的入射光被反射。APS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%～30%。为了提高像素的填充系数，APS在像素的上方设置了微透镜(Micro-lenses)。由APS阵列所获得的图像信息，经过图1中列模数转换器(ColumnADC)转换为数字信号后，再经过一系列的后续处理过程，得到输出如图4所示的帧图像数据结构。 

                    图 4  帧图像数据结构

CMOS图像传感器的运用

影响CMOS传感器性能的主要因素：噪声﹑暗电流﹑像素的饱和和溢出模糊等等。噪声包括固定图形噪声FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的；　　物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素；对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。

近来CMOS图像传感器受到重视首要原因在于过去大大低于CCD的灵敏度问题逐步得到解决。因为与CCD相比，CMOS传感器具有更好的量产性，而且容易实现包括其他逻辑电路在内的SoC(SystemonChip)产品，而这在CCD中却很难实现。尤其是CMoS传感器不像CCD那样需要特殊的制造工艺，因此可直接使用面向DRAM等大批量产品的生产设备。这样一来，CMOS图像传感器就有可能形成完全不同于CCD图像传感器的成本结构。

下面是就是经过多方努力研究出的背照式CMOS传感器； 背照式CMOS传感器最大的改变就是优化了元件内部的结构，改变了感光层的方向，使光线可以通过背面直射进去，背照式感光器也因此得名。

背照式CMOS传感器工作原理图

背照结构的CMOS感光器避免了传统CMOS镜头光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响，这也是为什么iPhone 4在低照度环境下能拍出比其他采用传统传感器的手机更锐利更清晰的照片。

今天COMS因为其低成本、低功耗、以及高整合度的特点，又随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，其慢慢从低端市场逐步走向高端市场，不仅仅运用于机﹑数码相机﹑影像掌上电话等还用于高清晰﹑高速摄像，在当前市场中，我们可以发现高速图像传感器有三大发展趋势，一是向极高速方向发展，二是向片上特性集成方向发展，三是向通用高速图像传感器方向发展