CMOS圖像傳感器:堆棧式與單芯片的區(qū)別
日常生活中的很多產(chǎn)品，比如手機、數(shù)碼相機、車載攝像頭等都有CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）的身影，在它的幫助下，人們可以取得更清晰，更高質(zhì)量的圖片和視頻。這主要是得益于CMOS圖像傳感器是一種將光轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，且隨著CMOS工藝技術(shù)的進步，作為攝像頭“眼睛”的CMOS圖像傳感器具有了高分辨率、低噪聲、大動態(tài)范圍、智能化等特點。
那么，你知道CMOS圖像傳感器是如何變成現(xiàn)在這般的嗎？它有哪些分類？本文就帶你一起分析一下CMOS圖像傳感器的進化歷程，以及堆棧式與單芯片技術(shù)的優(yōu)缺點與適用場景。
CMOS圖像傳感器的開展歷史
自從1969年，美國貝爾實驗室發(fā)明電荷耦合器件（CCD），并提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速開展，成為傳感技術(shù)中的一個重要分支。其實互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時起步的，只是由于當(dāng)時工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲高，以及光照靈敏度不夠等原因，從而沒有得到重視和開展。
后來，隨著集成電路（IC）設(shè)計技術(shù)和工藝水平的提升，CMOS圖像傳感器過去的缺點，都被克服掉了，CMOS圖像傳感器逐漸成為研究的熱點，并成為了市場的主流。
圖：CMOS圖像傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
CMOS圖像傳感器最大的優(yōu)勢是可以集成在單片芯片上，它能將圖像傳感與采集、模擬信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字邏輯電路、時鐘控制電路，以及外圍輸入/輸出電路等都集成在單顆芯片上。其工作原理是，第一時間順利獲得感光單元陣列將所獲取對象景物的亮度和色彩等信息由光信號轉(zhuǎn)換為電信號；再將電信號讀出，并順利獲得ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；最后將數(shù)字信號進行預(yù)處理，并順利獲得傳輸接口將圖像信息傳送給平臺接收。
CMOS圖像傳感器的誕生，不斷以來有兩種版本。一是在1993年4月，NASA的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Dr. Eric R. Fossum團隊研制出了CMOS有源像素傳感器，不過在NASA的反響并不樂觀，因此在1995年，F(xiàn)ossum與他當(dāng)時的妻子，及他在JPL的同事Sabrina Kemeny共同創(chuàng)辦了Photobit公司進行CMOS傳感器的商業(yè)化。并于1998年推出了第一個產(chǎn)品PB-159，次年推出了PB-100，該芯片被用在了英特爾的一款網(wǎng)絡(luò)相機Easy PC相機中，將視頻會議帶入了工作場景。
另一個版本是在1989年，英國愛丁堡大學(xué)的Peter Denyer教授、David Renshaw博士，及當(dāng)時在愛丁堡大學(xué)做科研的王國裕和陸明瑩聯(lián)袂發(fā)表了一篇論文，介紹了他們在CMOS 圖像傳感器方面的研究工作，并于1990年底芯片流片成功。
不管是哪一個版本，在市場的洪流中，他們都淹沒在了眾多玩家當(dāng)中，如今的CMOS圖像傳感器頭部玩家主要是索尼、三星電子和格科微等廠商。
CMOS圖像傳感器的分類
CMOS圖像傳感器按照感光元件安裝的位置，主要可分為前照式結(jié)構(gòu)（FSI）、背照式結(jié)構(gòu)（BSI）、以及在背照式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改良的堆棧式結(jié)構(gòu)（Stacked）。
前期的CMOS圖像傳感器主要是FSI結(jié)構(gòu)，因為這種結(jié)構(gòu)工藝簡單；其缺點是，因為它的感光元件在底層，進入的光線比較少，因此成像效果一般。該結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素范圍一般在200萬像素以下。
為了加強整體成像效果，BSI結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，該技術(shù)改變了光線的入射方位，將電氣組件與光線分離，有效減少了光子的損耗，大幅提升了CMOS圖像傳感器的量子效率，提升了暗光和室外場景下的拍照品質(zhì)。也就是說它相比FSI結(jié)構(gòu)具有感光度和量子效率更高、感光角度更廣、像素串?dāng)_更低、成像品質(zhì)更高的優(yōu)點，缺點是工藝復(fù)雜，成本高。此類結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在500萬以上像素的CMOS圖像傳感器產(chǎn)品中。
其實，2003年創(chuàng)建的格科微很早就開始了CMOS圖像傳感器的研發(fā)，并于2005年成功研發(fā)出了國內(nèi)首顆FSI結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器；2012年實現(xiàn)技術(shù)突破，推出了國內(nèi)首顆BSI圖像傳感器。
隨著市場對CMOS圖像傳感器像素、幀率、成像效果（比如高信噪比、低照度及動態(tài)環(huán)境感知等）的要求越來越高，CMOS傳感器企業(yè)索尼在BSI結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了堆棧式結(jié)構(gòu)，在上層僅保留感光元件而將所有線路層移至感光元件的下層，再將兩層芯片疊在一起，芯片的整體面積被極大地縮減，還可有效抑制電路噪聲從而獲取更優(yōu)質(zhì)的感光效果。采用堆棧式結(jié)構(gòu)的 CMOS 圖像傳感器可在同尺寸規(guī)格下將像素層在感知單元中的面積占比從傳統(tǒng)方案中的近 60%提升到近 90%，圖像質(zhì)量大大優(yōu)化。同理，為達到同樣圖像質(zhì)量，堆棧式 CMOS 圖像傳感器相較于其他類別 CMOS 圖像傳感器所需要的芯片物理尺寸則可大幅下降。這使得CMOS圖像傳感器的成本得到了改善，逐漸成為高像素CMOS市場主流。
但近年來，行業(yè)里出現(xiàn)了另一種與堆棧式截然不同的高像素CIS技術(shù)路線——單芯片高像素集成。
結(jié)論
單芯片CMOS圖像傳感器和堆棧式CMOS圖像傳感器是現(xiàn)在圖像傳感技術(shù)中應(yīng)用廣泛的兩種技術(shù)，兩者都有其適用的場景和局限性。高像素領(lǐng)域，得益于工藝與技術(shù)進步，單芯片CIS優(yōu)勢漸顯，可能會成為與堆棧同樣重要的技術(shù)路線。未來，隨著手機成像等終端市場趨于成熟，人工智能、云計算等技術(shù)的不斷開展，CMOS圖像傳感器將不斷升級，更多的創(chuàng)新和應(yīng)用將不斷涌現(xiàn)。
參考文章：CMOS圖像傳感器35年史和中國人的關(guān)鍵貢獻，作者：戴輝
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