CMOS Sensor 的介绍

图像传感器(Image Sensor )是一种半导体芯片,其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。光电二极管收到光照射时,就会产生电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号。目前有两种类型:一种是CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件);另外一种是CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor 互补金属氧化物导体)



应用范围:

输出格式

 

RGB格式:采用这种编码方法,每种颜色都可用三个变量来表示红色、绿色以及蓝色的强度。每一个像素有三原色R红色、G绿色、B蓝色组成。

YUV格式:是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法,属于PAL。其中“Y”表示明亮度(Luminance或Luma),就是灰阶值;而“U”和“V”表示色度 。(Chrominance或Chroma),是描述影像色彩及饱和度,用于指定像素的颜色。

RAW DATA格式:是CCD或CMOS在将光信号转换为电信号时的电平高低的原始记录,单纯地将没有进行任何处理的图像数据,即摄像元件直接得到的电信号进行数字化处理而得到的。

 

结构分为两种:FSI和BSI

FSI是指光从正面入射进入感光区,BSI是指光从背面入射进入感光区。前和背对应的是半导体制成工艺的front-end-of-line (FEOL)和back end of line (BEOL)。其实就是说半导体加工后段制程sensor金属连接布线。

透镜排在传感器的顶部,透镜、光接收部分和光电二极管之间均有配线。斜射入传感器的光会被这些配线挡住,部分反射到直射入的光上,导致整体的感光度降低。

BSI型

透镜固定在平面衬底的后侧,将光直接传递到光电二极管。不会受到配线的干扰,可提高感光度和整体性能。

FSI为目前图像传感器所采用的主流技术,具有已获证实 的大批量生产能力、高可靠性和高良率以及颇具吸引力的性价比等优势,大大推动了其在手机、笔记本电脑、数码摄像机和数码相机等众多领域的应用。这些优势, 再加上高性能特性,使得这种技术具有独特的成本、性能和价值定位,未来应用有望进一步扩展。

  不过,由于光波长不 变,像素不断缩小,FSI技术存在其物理局限性。为了解决这个问题,最近推出的一些新技术从背面对传感器进行照明,即采用背面照度技术(BSI),从而有 效去除了光路径上的读取电路和互连。BSI技术拥有得到更高量子效率(QE)的潜在优势,前景十分诱人。但同时也带来了更高成本、更大串扰和制造挑战等问 题,这意味着只要FSI图像传感器还能够满足当前市场的性能要求,推迟向BSI的过渡也许是有利的。如今,BSI技术仅仅开始用于制造对传感器成本提高并 不是特别敏感的高端消费类相机等产品。



FSI的优点

FSI按照半导体制造流程而设计。对pixel而言,光是从前面的金属布线之间进入,然后再聚焦在感光区域photodiode上。对于较大的像素,FSI的性能还是可以满足要求。因为pixel的optical stack高度与像素面积之比不大,感光面积也相对可以保证。优点在于FSI制造工艺简单,成本低、良率高。与BSI相比,FSI对制造工艺要求较低。

FSI的缺点

随着pixel尺寸的缩小的,fill factor小、光学路径长、金属布线反射吸收损耗大等,都限制了sensor的性能。

BSI是做好前段工艺后,晶圆(wafer)翻转、bonding、减薄,然后在背部做color filter, micro lens。

BSI的优点

BSI的主要优势是能够使电气组件与光线分离,使光路径能够被独立地优化,避免了FSI金属布线层吸收、反射。并且BSI pixel内optical stack大大减小。BSI与FSI相比,fill factor大,几乎可达到100%。因此BSI能够获得更高的QE(量子效率)。

BSI结构大大减小了optical stack的厚度,因此对入射角度的要求也会更加友好。下图中我们可以看到1.4um pixel尺寸,BSI结构相对FSI结构可以改善lens shading 40%。
图FSI、BSI对lens shading的影响

BSI的缺点

但BSI工艺复杂、难度高。早期BSI发展早期良率会是一个很大的障碍。但随着半导体工艺的发展,BSI的工艺也越来越成熟。良率上升也会比较快

由于BSI芯片形式是背面在上,因此光线会直接照射光电二极管附近的硅体材料。由于漫射到邻近像素或在背面界面的漫射与入射光线重新汇合,光线会容易形成串扰。不过这些在业界目前已经能够通过改善芯片背面的处理来解决了。

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