高速相机-CMS传感器的一些技术进展.doc

CMOS传感器的一些技术进展 作者：（郭长佑／DIGITIMES）引言：从多项层面看，CMOS影像传感器的持续强劲发展，最终将超越CCD影像传感器，且这样的转变预计在往后几年内就会实现，不过与其它变革相同的，从旧变革到新，其利、弊两者必然纷陈，CMOS影像传感器如何累积能量与优势，将弊处降至最低、益处持续提升，这将成为CMOS影像传感器后续发展推进的主要课题……部份分析观察家指出：2010年时，笔记型计算机的总产值将超越桌上型计算机、2011年32位微控制器的总产值将超越8位微控制器。类似的，自从90年代末CMOS影像传感器即开始在一些应用上逐步取代CCD（Charge-Coupled Devices）影像传感器，而这样的取代效应仍持续酝酿发酵，再加上多项新影像感测应用的出现，如拍照手机、指纹辨识、网际视讯等，使CMOS影像传感器的用量进一步的扩增，加上质量技术的强化改进，因此人们预估约在今年、明年，CMOS影像传感器的总产值就会超越CCD影像传感器。虽然CMOS影像传感器超越CCD影像传感器已成时间问题，但即便总产值超越CCD也不代表CMOS影像传感器的一切表现都将超越CCD影像传感器，虽然CMOS影像传感器在多项表现上优于CCD影像传感器，但仍有许多方面不如CCD影像传感器，如果CMOS影像传感器不能在这些落后项目上力求改进，那么CCD影像传感器将持续在某些应用领域中占有市场，且不一定拘限于利基市场，如此将有可能影响到CMOS影像传感器在应用范畴上的持续推进。因此，本文以下将针对现有CMOS影像传感器的发展、技术等进行更多探讨，同时也再次审视、比较CMOS影像传感器与CCD影像传感器的优劣性，做为日后各项应用设计时的评估参考。CMOS感测品质大跃进：主动式像素技术首先我们必须从过往的技术历程来了解CMOS影像传感器与CCD影像传感器，老实说CCD影像传感器的运用历史远比CMOS悠久，CCD影像传感器的应用至今已超过30年的历史，相对的CMOS影像传感器的应用约在1990年中期才展露。在1990年中期以前，CMOS影像传感器并没有受到重视，原因在于感测影像质量的低落，然1990年中期对CMOS影像传感器而言实是一个技术发展演进的转折点，此时美国国家航空暨太空总署（National Aeronautics and Space Administration；NASA）的喷射推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发明了主动式像素（Active Pixel）的CMOS影像传感器架构，此架构提出后大幅改善CMOS影像传感器的影像感测质量，自此以后CMOS影像传感器的应用才逐渐开展。也因为主动式像素架构的提出，为了与过往的架构有所区别，因此将过去的传统架构称为被动式像素（Passive Pixel）架构。为何主动式像素传感器架构能大幅改善CMOS影像传感器的影像感测质量呢？这必须从架构设计上来说明，传统被动式像素是将每个独立晶体管（并搭配电容器）做为每个影像感测像素的开关（Switch），将传感器感应到光源，并将光转换成电子后，将这些输出的电子储存到电容器内，之后再读取行列交会处的电容器，并将电容器内的电子讯号透过讯号放大器加以放大。相对的，主动式像素架构的作法是在每个影像感测像素上都设置讯号放大器与噪声控制组件，这样就可以避免被动式像素架构的一些缺陷，被动式像素架构的主要弱处就在于讯号运送过程中遭受到噪声干扰，而主动式像素感测因为就近在为每个像素设置专属的讯号放大器、噪声控制等设计，使噪声的影响大幅降低，进而提升了影像感测质量。 图说：南韩MagnaChip公司的CMOS影像传感器之摄影机模块：HV7171SP（210万像素），该模块为固定对焦型，图中为模块与一般回形针的尺寸比较。（）CMOS与CCD之比较在感测质量大幅改善后，CMOS影像传感器在诸多的本质特性上反而优于CCD影像传感器，这也使得愈来愈多的应用设计者愿意用CMOS影像传感器来取代CCD影像传感器，到底有哪些本质特性是CMOS优于CCD，以下将逐一说明。低成本性、高整合性CCD影像传感器使用特有的成形结构，需要独有、专属的制造、制程技术来实现，因此制造成本较高。相对的，CMOS影像传感器能够用标准的制造设备来产制，现今所有的半导体芯片有90%都是透过这些标准化设备、设施所产出，包括CPU、RAM、ROM等芯片都是，标准化的结果可以让CMOS影像传感器的成本降低。也因为使用标准的半导体制程，所以CMOS影像传感器不仅可以使用较先进的缩密制程，也才能方便整合讯号放大器、噪声控制等电路，来实现主动式像素的传感器架构，同时标准制程也让CMOS影像传感器能方便整合影像处理方面的电路，高整合度不