CMOS

http://www.microimage.com.cncyh(2011-05-05 15:08:01)

简介

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),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。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带-电) 和 P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。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,CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。

CMOS与CCD的区别

 CCDCMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
  CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。
  造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理;而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再整合各个象素的数据[1]。
  由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,这些差异包括:

1. 灵敏度差异:


  由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。[1]

2. 成本差异:


  由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。[1]

3. 分辨率差异:


  CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如,市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸为1/2英寸,象素尺寸为4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率却能高达513万象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。[1]

4. 噪声差异:


  由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。[1]

5. 功耗差异:


  CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说,OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下运行,功耗仅为40mW;而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品,其功耗却仍保持在90mW 以上。[1]
  综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,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,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo);CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足,以应用于更高端的图像产品。
主要CMOS厂商

投入CMOS研发、生产的厂商较多,美国有30多家,欧洲7家,日本约8家,韩国1家,台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP),其市场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%,这五家合计市占率达93%。

Sony


   Sony是全球CCD传感器第一大厂,也是第一家投入12英寸晶圆、推出600万象素CCD的公司,Sony约有30~40%的CCD传感器供自有品牌产品使用,其它则卖给Canon、Sanyo、Casio、以及台湾的新虹、普利尔、诠讯(与台湾佳能合并)等厂商。
  Sony的产品技术蓝图显示,2003年除了800万象素的ICX 456外,并无其它微缩工艺的产品问世。产品尺寸将大致保持现有水平,取而代之的是强化摄影功能与支持progressive scan(连续式扫描),例如500万象素的ICX455/465、330万象素的ICX451/481、以及210万象素的ICX461等,令高端产品也能达到30fps以上的数据传送速率。
  高端产品的大部分市场仍被Sony占据,再加上市场仍处于供不应求的局面,公司并未急于做降低成本的动作,不过,一旦Sony最先进的工艺(象素尺寸2.6~2.8mm)达到成熟阶段(成品率超过50%),该公司势必近一步将此工艺应用到其它产品上(目前仍只有1/1.8英寸、 500万象素产品使用此工艺),届时可能会有1/2.7英寸、400万象素产品问世。

OmniVision


   OmniVision成立于1995年(以下简称OV),2002年6月领先其它同业率先推出210万象素的OV2610震惊市场,虽然目前采用此传感器量产的产品并不多,但这已说明CMOS传感器可以开始进入原本属于CCD传感器的中高端数码相机市场; OV的数据显示,目前已有天瀚、明、鸿友等台湾商家开始采用该公司的OV2610。展望2003年,OV将在1季度~2季度之间推出330万象素、1/2 英寸的产品,采TSMC 0.18mm工艺生产,再次拓展CMOS传感器的应用范围。在移动电话市场上,CMOS模组的摄相模块已经成为移动通讯应用的最大量产品。
  在低功耗产品方面,OV也在2002年12峦瞥隽薕V7640,可以在2.5V的环境下运行,为目前VGA产品中功耗最低的芯片。而在2003 年新规划的产品方面,OV计划在下半年推出130万象素、1/4英寸,以及VGA、1/7英寸的产品,希望在CCD厂家推出低功耗的130万素产品之前,先行抢占市场先机。

Agilent


  Agilent主要的产品为第二代的 CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,主要应用在数码相机 、行动电话、PDA、PC Camera等新兴的资讯家电产品之中,此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech与Microsoft这两家公司策略联盟,打入了光学鼠标产品领域,但是这是非常低阶的CMOS产品,而且不是为了捕捉影像 ,所以在做影像感测器的全球统计时并未将此数量一并加入,但是此举可看出Agilent以CMOS技术为基础进军光学元件的规划意图。

Photobit


  Photobit在2000年获得较大成功。2001年Photobit率先研发出PB-0330产品型号的CMOS图像传感器,此产品特色具备单一晶片逻辑转数位的变频器,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),同时也推出PB-0111产品型号的CMOS影像感测器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出这两种产品主要针对数码相机和PC Camera这些近年来蓬勃发展的数位化产品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行动电话市场上有所区隔,其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)这两种不同解析程度的影像感测器,行销范围意图含盖低阶和中高阶市场。

其它公司


  最具特色的是Sanyo,该公司致力于改善CCD 传感器的功耗,以相机电话为主要应用目标,之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF级CCD传感器,Sharp、Toshiba等手机厂家也计划在02年4季度~03年1季度之间陆续引入 Sanyo的VGA产品。Matsushita、Sharp的产品规划与Sony相差不多,主要差异在于Matsushita准备推出更小的400万象素 (1/2.7英寸)与130万象素(1/4英寸)产品。

发展前景

专家们认为,21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长,在未来的几年时间内,在130 万像素至200万像素之下的产品中,将开始以CMOS传感器为主流。以小型化和低功耗CMOS图像传感器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流,上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展[2]。

业界动态

2009年8月28日,索尼秋季数码影像新品发布会在北京隆重举行,索尼宣布在三条产品线推出共十款数码影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次应用了新型影像传感器Exmor R CMOS影像传感器,它采用先进的背照射技术,其对光线的灵敏度比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍,大幅提升了拍摄画质,得到明亮画面的同时更好地降噪,使得在低照度条件下仍然可以获得细节丰富的照片,造就卓越的夜间拍摄性能。该传感器具备1020万有效像素,支持从ISO100~ISO3200的感光度范围,并支持720p的高画质动态影像视频拍摄。性能强大的Exmor R MOS配合BIONZ影像处理器,可以快速准确地处理海量信息,使DSC TX1和WX1具备了手持夜景模式、全景拍摄、动作防抖和每秒最高约10张。
  三星电子公司提高CMOS传感器灵敏度的背面照射(BSI:backside illumination)技术达到了实用化水平,2010年将批量生产产品。三家大型CMOS传感器公司均将在2010年开始量产采用背面照射技术的 CMOS传感器(BSI型CMOS传感器)。三星在工艺技术方面将采用适于降低成本的方法。之所以着手从事BSI技术,是因为通过提高灵敏度能够维持相同的灵敏度同时缩小像素间距。据该公司估算,1.4μm间距的BSI型能够获得与基于现有技术的FSI(Front Side Illumination)型1.75μm间距产品相同的画质。同一像素间距,BSI型的灵敏度可以比FIS型高30%。三星为在今后量产1.1μm间距产品等间距更小的元件,将增加BSI型的比例。该公司计划把2010年首批量产的BSI型CMOS传感器做成支持1460万像素和30帧/秒的元件。预计将配备于数码相机、数码摄像机及高端手机等设备上[3]。

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