圖像傳感器的六大硬件技術(shù)指標(biāo)
圖像傳感器的六大硬件技術(shù)指標(biāo)
一、像素
傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測(cè)到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰，像素越高，意味著成像效果越清晰。關(guān)聯(lián)一下我們中維世紀(jì)的產(chǎn)品：100W網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)分辨率是1280X720，兩個(gè)值相乘得出的就是像素值，就是近100萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，130W的分辨率是1280X960，像素值就是近130萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)。從圖像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
二、靶面尺寸
圖像傳感器感光部分的大小，一般用英寸來(lái)表示。和電視機(jī)一樣，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線長(zhǎng)度，如 常見(jiàn)的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。”關(guān)聯(lián)一下我們中維世紀(jì)的產(chǎn)品：100W產(chǎn)品是1/4英寸，130W是1/3英寸，200W是1/2.7英寸，大家從畫(huà)面上就能感知到上面提到的靶面尺寸的不同帶來(lái)的圖像畫(huà)質(zhì)的變化。
三、感光度
即是通過(guò)CCD或CMOS以及相關(guān)的電子線路感應(yīng)入射光線的強(qiáng)弱。感光度越高，感光面對(duì)光的敏感度就越強(qiáng)，快門(mén)速度就越高，這在拍攝運(yùn)動(dòng)車(chē)輛，夜間監(jiān)控的時(shí)候尤其顯得重要。這就是解釋了為什么不同的攝像機(jī)夜視會(huì)有很大差別，感光度的單位是V/LUX-SEC，V(伏)就是我們通常說(shuō)的電壓的單位，LUX-SEC：是光強(qiáng)弱的單位，這個(gè)比值越大，夜視效果越好。
四、電子快門(mén)
是比照照相機(jī)的機(jī)械快門(mén)功能提出的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。其控制圖像傳感器的感光時(shí)間，由于圖像傳感器的感光值就是信號(hào)電荷的積累，感光越長(zhǎng)，信號(hào)電荷積累時(shí)間也越長(zhǎng)，輸出信號(hào)電流的幅值也越大。電子快門(mén)越快，感光度越低，適合在強(qiáng)光下拍攝。
五、幀率
既指單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量。連續(xù)播放一系列圖片就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)效果，根據(jù)人類的視覺(jué)系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒(即15幀)的時(shí)候， 人眼就基本看不出來(lái)圖片的跳躍;在達(dá)到24幅/s～30幅/s(即24幀到30幀)之間時(shí)就已經(jīng)基本覺(jué)察不到閃爍現(xiàn)象了。每秒的幀數(shù)(fps)或者說(shuō)幀率表示圖形傳感器在處理場(chǎng)時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺(jué)體驗(yàn)。
六、信噪比
是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值，信噪比的單位用dB來(lái)表示。一般攝像機(jī)給出的信噪比值均是AGC(自動(dòng)增益控制)關(guān)閉時(shí)的值，因?yàn)楫?dāng)AGC接通時(shí)，會(huì)對(duì)小信號(hào)進(jìn)行提升，使得噪聲電平也相應(yīng)提高。信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好;若為60dB，則圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說(shuō)明對(duì)噪聲的控制越好。這個(gè)參數(shù)關(guān)系的圖像中噪點(diǎn)的數(shù)量，信噪比越高，給人感覺(jué)畫(huà)面越干凈，夜視的畫(huà)面中點(diǎn)狀的噪點(diǎn)就越少。
CMOS圖像傳感器的五大工藝技術(shù)
CIS工作原理
從最基本的層面上講，CIS用來(lái)將相機(jī)鏡頭的光轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以創(chuàng)建可見(jiàn)的圖像。當(dāng)波長(zhǎng)范圍為400至700nm的可見(jiàn)光光能被聚集在硅襯底的光電二極管(PD)上時(shí)，CMOS圖像傳感器的硅表面將接收該光能，從而形成電子-空穴對(duì)。
在此過(guò)程中生成的電子通過(guò)浮動(dòng)擴(kuò)散(FD)轉(zhuǎn)換為電壓，然后再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。最后，數(shù)據(jù)被發(fā)送到處理器，以創(chuàng)建可視的數(shù)字描述，通常為圖像。
CIS制造技術(shù)
生產(chǎn)這種復(fù)雜傳感器需要特定的制造技術(shù)，通常分為五類。
1. 深光電二極管形成工藝技術(shù)
由于消費(fèi)者對(duì)圖像質(zhì)量不斷提出更高的需求，導(dǎo)致了業(yè)界的競(jìng)爭(zhēng)加劇，各廠商爭(zhēng)相提高移動(dòng)CIS中的像素密度和分辨率，這種競(jìng)爭(zhēng)反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步加速了CIS工藝技術(shù)的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)更高的圖像質(zhì)量，像素尺寸需要進(jìn)一步減小，以便在相同大小的芯片上容納更多的像素。
圖2：光電二極管結(jié)構(gòu)變化以及像素尺寸不斷減小的示意圖。(來(lái)源：SK Hynix)
為了避免圖像質(zhì)量的下降，深光電二極管的作用極為關(guān)鍵。為了在小像素中確保有足夠的滿阱容量(FWC)，它的構(gòu)圖和實(shí)施技術(shù)難度級(jí)別遠(yuǎn)超現(xiàn)有的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。為此，必須遵循高寬比率不斷提高的行業(yè)趨勢(shì)，確保掩模工藝技術(shù)達(dá)到超過(guò)15：1的高寬比，以阻止高能離子注入。
2. 像素-像素隔離工藝技術(shù)
對(duì)高清CIS來(lái)說(shuō)，像素間彼此隔離的技術(shù)至關(guān)重要。不同的芯片制造商會(huì)采用不同的隔離技術(shù)，但如果隔離技術(shù)不佳，將可能導(dǎo)致圖像缺陷，例如混色和散色。
越來(lái)越高的像素密度和分辨率成為普遍的需求，隔離便成為CIS市場(chǎng)中圖像質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。 除此之外，隔離工藝還會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。因此，業(yè)界正在努力選擇更好的設(shè)備，并開(kāi)發(fā)新的解決方案以提高良品率和產(chǎn)品質(zhì)量。
3. 彩色濾光片陣列(CFA)工藝技術(shù)
彩色濾光片陣列(CFA)是CIS領(lǐng)域獨(dú)有的一種工藝，它在半導(dǎo)體存儲(chǔ)工藝中并不常見(jiàn)。CFA工藝通常包括一個(gè)彩色濾光片(CF)和一個(gè)微透鏡(ML)，濾光片將入射光根據(jù)各自波長(zhǎng)范圍過(guò)濾為紅色、綠色和藍(lán)色，而微透鏡則提高聚光效率。為了獲得穩(wěn)定的圖像質(zhì)量，需要評(píng)估R/G/B彩色材料，并研究出可以優(yōu)化形狀和厚度等參數(shù)的技術(shù)。
最近，一系列高質(zhì)量且功能強(qiáng)大的CIS產(chǎn)品出現(xiàn)在市場(chǎng)上。它們基于Quad Bayer等技術(shù)，且輔以CFA的基本形式。
圖3：彩色濾光片陣列由彩色濾光片和微透鏡組成。 (來(lái)源：SK Hynix)
4.晶圓堆疊工藝技術(shù)
晶圓堆疊(即將兩個(gè)晶圓粘貼在一起)是生產(chǎn)高像素和高清晰度CIS產(chǎn)品的一項(xiàng)重要技術(shù)。 對(duì)于高像素CIS產(chǎn)品，像素陣列和邏輯電路分別在單個(gè)晶圓上形成，然后在處理過(guò)程中采用晶圓鍵合技術(shù)將它們連接起來(lái)。
圖4：晶圓堆疊極大地提升了CIS的性能。(來(lái)源：SK Hynix)
大多數(shù)CIS芯片制造商已經(jīng)采用了晶圓堆疊技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的各個(gè)方面仍在持續(xù)改進(jìn)中。
5. CIS良率和質(zhì)量控制技術(shù)
CIS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn)過(guò)程中最基本的要求之一是對(duì)金屬污染的控制。由于CIS產(chǎn)品對(duì)污染的敏感度是存儲(chǔ)產(chǎn)品的幾倍，而且污染直接影響產(chǎn)品良率與質(zhì)量，因此必須采用各種污染控制技術(shù)。
除此之外，等離子體損傷控制也很重要。由于在工藝過(guò)程中造成的損壞會(huì)導(dǎo)致圖像性能下降(如熱像素)，因此有必要對(duì)關(guān)鍵工藝進(jìn)行精確管理。
CIS的未來(lái)前景
毫不夸張地說(shuō)，對(duì)于由CIS驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，其有效性將取決于工藝技術(shù)。而且，各種工藝相互交互的方式也有很大影響。僅僅優(yōu)化制造工藝的某一方面是不夠的，各種工藝必須全部?jī)?yōu)化才能實(shí)現(xiàn)有機(jī)互補(bǔ)。
不過(guò)，回報(bào)是巨大的。從制造業(yè)到醫(yī)療保健服務(wù)，再到監(jiān)控，幾乎每個(gè)領(lǐng)域都可以利用CIS新技術(shù)來(lái)改善。擁有對(duì)這個(gè)世界更豐富、更詳盡的視野，各行各業(yè)的公司都將能夠創(chuàng)建更智能、更先進(jìn)的產(chǎn)品和服務(wù)，從而使終端客戶和整個(gè)社會(huì)受益。
內(nèi)外紫外增強(qiáng)圖像傳感器的研究進(jìn)展
近年來(lái)圖像傳感器在紫外成像方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是以CCD和CMOS為主的紫外圖像傳感器受到了研究人員的廣泛關(guān)注。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和納米材料的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了紫外圖像傳感器的研究。
固態(tài)紫外圖像傳感器以其體積小、壽命長(zhǎng)、耐惡劣環(huán)境、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注，然而其熱噪聲較大、成本較高、響應(yīng)波長(zhǎng)受真空紫外波段限制，所以在高信噪比電路讀出和摻雜缺陷抑制方面亟待進(jìn)一步研究。相比之下，以CMOS/CCD為基礎(chǔ)的硅基紫外圖像傳感器更易實(shí)現(xiàn)大面陣，成本比其他類型的圖像傳感器更低，性能也足以和真空型紫外圖像傳感器媲美，以及高分辨、低噪聲和高幀率的優(yōu)點(diǎn)使得硅基紫外圖像傳感器在短時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)紫外成像市場(chǎng)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，昆明物理研究所唐利斌研究員課題組在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“紫外增強(qiáng)圖像傳感器的研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。唐利斌研究員主要從事光電材料與器件的研究工作。
這項(xiàng)研究綜述了國(guó)內(nèi)外紫外增強(qiáng)圖像傳感器的研究進(jìn)展，介紹了幾種增強(qiáng)器件紫外響應(yīng)的材料，另外還簡(jiǎn)要概述了紫外圖像傳感器在生化分析、大氣監(jiān)測(cè)、天文探測(cè)等方面的應(yīng)用，并討論了CCD/CMOS圖像傳感器在紫外探測(cè)方面所面臨的挑戰(zhàn)。
CMOS是金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器，其成像原理為每個(gè)像素都有自己的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)像素單獨(dú)完成電荷電壓的轉(zhuǎn)換，直接將電荷轉(zhuǎn)換成電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)成像，這使得CMOS的整體讀出效率非常高。與之相似的CCD有著體積小、壽命長(zhǎng)、靈敏度高、畸變小等特性，其工作原理為CCD是在像素上增加電壓，把像素里的電荷一個(gè)一個(gè)地從縱向逼到和它相鄰的像素里面，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)共同輸出端，再經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信息，最終實(shí)現(xiàn)成像。
圖像傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)示意圖：(a)、(b)、(c)和(d)分別為CCD、CMOS、前照式圖像傳感器結(jié)構(gòu)和背照式圖像傳感器結(jié)構(gòu);(e)堆棧式CMOS圖像傳感器;(f)具有Cu-Cu雜化鍵合的新型堆棧式背照CMOS圖像傳感器及器件截面圖
雖然CMOS圖像傳感器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍都沒(méi)有CCD圖像傳感器高，但因?yàn)槠涞统杀竞透呒啥鹊葍?yōu)勢(shì)，再加上近年來(lái)集成電路技術(shù)、電路消音技術(shù)和半導(dǎo)體電子技術(shù)的快速發(fā)展，CMOS圖像傳感器有了質(zhì)的飛躍，彌補(bǔ)了CCD圖像傳感器的劣勢(shì)，二者在圖像傳感器領(lǐng)域相輔相成。
紫外響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的基本原理是利用材料吸收紫外輻射后發(fā)射的熒光與圖像傳感器響應(yīng)靈敏度高的波段相匹配的特性，從而來(lái)增強(qiáng)傳感器的紫外響應(yīng)能力。
紫外增強(qiáng)圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步使其在各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如天文探測(cè)、生化分析、大氣監(jiān)測(cè)、電暈放電、日盲檢測(cè)等。近年來(lái)，紫外成像技術(shù)被引入制藥領(lǐng)域，用于片劑的質(zhì)量控制。
硅半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了圖像傳感器的發(fā)展，在可靠性、集成度、大面陣、成本等方面都有明顯的進(jìn)步，由于硅本身性質(zhì)使得圖像傳感器在紫外波段的低響應(yīng)率、低量子效率限制了其進(jìn)一步發(fā)展。伴隨紫外探測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用需求，發(fā)展高響應(yīng)率、高量子效率的紫外圖像傳感器仍面臨一些挑戰(zhàn)：(1)盡管目前可以用半導(dǎo)體工藝(背減薄、表面離子注入、激光退火和減反射膜)來(lái)改善圖像傳感器在紫外波段的響應(yīng)能力，但其整體效果不太理想;(2)雖然可以通過(guò)傳統(tǒng)的Lumogen、暈苯等有機(jī)熒光轉(zhuǎn)換材料提升圖像傳感器的紫外探測(cè)效率，但綜合其穩(wěn)定性、熒光量子產(chǎn)率、成本和光學(xué)性能來(lái)考慮，需要進(jìn)一步研究新的有機(jī)發(fā)光材料體系;(3)量子點(diǎn)材料與聚合物的非原位復(fù)合會(huì)引起相鄰量子點(diǎn)發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致其熒光量子產(chǎn)率和量子點(diǎn)薄膜透過(guò)率不高。綜合來(lái)看，紫外增強(qiáng)圖像傳感器相較于GaAlN基紫外焦平面探測(cè)器具有成本低、工藝與硅基器件兼容等特點(diǎn)，仍然值得在此方向開(kāi)展相關(guān)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。
該項(xiàng)目獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFB2203404)和云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2018HC020)的支持。該研究第一作者為昆明物理研究所碩士研究生羅磊，主要從事紫外增強(qiáng)CMOS圖像傳感器的研究工作。