cmos图像传感器结构图文等详解-cmos图像传感器市场

CMOS传感器

本文着重讲cmos图像传感器结构，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记录和解读成影像。

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图像传感器结构-图像传感器整体架构

CMOS图像传感器本质是一块芯片，主要包括：感光区阵列（Bayer阵列，或叫像素阵列）、时序控制、模拟信号处理以及模数转换等模块（如下图）。其中，各模块的作用分别为：

1、像素阵列：完成光电转换，将光子转换为电子。

2、时序控制：控制电信号的读出、传递。

3、模拟信号处理（ADC）：对信号去噪。（如用CDS去除reset noise、fpn等）

CMOS传感器示例

其中，像素阵列占整个芯片的面积最大，像素阵列是由一个个像素组成，它对应到我们看到每张图片中的每个像素。每个像素包括感光区和读出电路（后面小节会详细讨论），每个像素的信号经由模拟信号处理后，交由ADC进行模数转换后即可输出到数字处理模块。像素阵列的信号读出如下：

1、每个像素在进行reset，进行曝光。

2、行扫描寄存器，一行一行的激活像素阵列中的行选址晶体管。

3、列扫描寄存器，对于每一行像素，一个个的激活像素的列选址晶体管。

4、读出信号，并进行放大。

cmos图像传感器结构-像素结构

CMOS传感器上的主要部件是像素阵列，这是其与传统芯片的主要区别。每个像素的功能是将感受到的光转换为电信号，通过读出电路转为数字化信号，从而完成现实场景数字化的过程。像素阵列中的每个像素结构是一样的，如下图是典型的前照式像素结构，其主要结构包括：

1、On-chip-lens:该结构可以理解为在感光元件上覆盖的一层微透镜阵列，它用来将光线聚集在像素感光区的开口上。可以增加光电转化效率，减少相邻像素之间的光信号串扰。

2、Color filter：该结构是一个滤光片，包括红/绿/蓝三种，分别只能透过红色、绿色、蓝色对应波长的光线。该滤光片结构的存在，使得每个像素只能感应一种颜色，另外的两种颜色分量需要通过相邻像素插值得到，即demosaic算法。

3、Metal wiring：可以为金属排线，用于读出感光区的信号（其实就是像素内部的读出电路）。

4、Photodiode：即光电信号转换器，其转换出的电信号会经过金属排线读出。

像素结构

cmos图像传感器结构-内部结构及工作原理

1. CMOS sensor内部结构

2.CMOS sensor整个平面构造图（floorplan）

光电二极管具有正向导通反向截止的特殊，反向的特性还有个电容的特性，当在二极管上加反向偏置电压时，就会给电容充电，当电容充满电荷之后，光子的射入会导致内部激发出新的电子 空穴对，与原来充电形成的电子空穴对进行配对放电，形成光电流I_ph，光电流I_ph给右侧的电容充电变成一个电压输出。

3.光子（Photon）与量子效率(quantum efficiency)

自然界中有不同频率的光线，如果我们简单来说分成RGB三种频率的光线，由于RGB的频率不同，所载有的能量也是不同的。

4、感光过程

5、读取过程

CMOS图像传感器阵列结构

下图所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成，下图是CMOS摄像器件的原理框图。

水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压（偏压）。

被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。

cmos图像传感器市场

cmos图像传感器具有体积小、功耗低等优势，在cmos图像传感器领域占有率达到90%。随着背照式和堆栈式技术等新型CMOS图像传感器技术的进步，以及双摄像头、3D摄像头陆续出现并成为智能手机的新卖点。再加上汽车、无人机、VR以及AR技术等新兴市场的推动，cmos图像传感器正迎来新一轮的产业成长高峰。

1、消费市场依然占据主导地位

众所周知，移动端一直是cmos图像传感器重要的市场。据预测，未来智能手机中将广泛采用双摄像头和3D摄像头，随着这两种应用的普及，CMOS无疑将迎来新一轮的爆发。同时这将驱动着cmos图像传感器产业发生变化，从成像质量到人机交互，这是一个从成像到传感和用户界面的大转变。

2、汽车是增长最快的细分市场

汽车电子是cmos图像传感器增长最快的细分市场，2015年全球销售额为4.8亿美元，占CMOS市场的4.8%，预计2020年销售额可达18亿美元，市场占比将达到11%。

3、医疗应用需求涌现

传统的电荷耦合设备（CCD）图像传感器技术已不能满足医疗图像抓取应用的需要。cmos图像传感器凭借其六大优势席卷医疗电子应用，主要优势包括：系统集成度更高、动力要求较低、图像抓取功能更为灵活、界面智能化程度更高、动态范围更大、感光度更高。一些常用的医疗器械如医疗内窥镜均因为cmos图像传感器使得性能有大幅度提升。

4、面型图像传感器

包含CMV、CHR系列产品，广泛应用于工业视觉、科学研究、航天军事及医疗仪器相关领域。

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