CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),中文学名为互补金属氧化物半导体

什么是 CMOS 传感器

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 传感器的工作原理

图 1 示出了有源像素 CMOS 图像传感器(AcTIvePixel Sensor,APS)的功能结构图,其中成像部分为光敏二极管阵列(Photo Diode Array)。

 

四场效应管(4T)有源像素 CMOS 图像传感器的每个像素由光敏二极管、复位管 T2、转移管 T1、源跟随器 T3 和行选通开关管 T4 组成,如图 2 所示。

 

转移管 T1 被用来将光敏二极管连接至源跟随器 T3,并通过复位管 T2 与 VDD 相连。T3 的栅极与 T1 和 T2 之间的 N+扩散区相连。与 3T 结构的 APS 相比,减少了与 T3 的栅极相关的漏电流效应。源跟随器 T3 的作用是实现对信号的放大和缓冲,改善 APS 的噪声问题。T4 是用来将信号与列总线相连。其工作过程是:首先进入“复位状态”,T2 打开,对光敏二极管复位;然后进入“取样状态”,T2 关闭,光照射到光敏二极管上产生光生载流子,并通过源跟随器 T3 放大输出;最后进入“读出状态”,这时行选通管 T4 打开,信号通过列总线输出。



APS 具有低读出噪声和高读出速率等优点,但像素单元结构复杂,填充系数降低,填充系数一般只有 20%~30%。为了提高像素的填充系数,APS 在像素的上方设置了微透镜(Micro-lenses),如图 3 所示。

 

由 APS 阵列所获得的图像信息,经过图 1 中列模数转换器(Column ADC)转换为数字信号后,再经过一系列的后续处理过程,得到输出如图 4 所示的帧图像数据结构。

 

 

工作原理

 

工作原理

工作原理

工作原理

 

 

CMOS 传感器的作用


随着CMOS技术的发展及市场需求的增加,CMOS图像传感器得以迅速发展。CMOS图像传感器具有高度集成化、成本低、功耗低、单一工作电压、局部像素可编程、随机读取等优点,适用于超微型数码相机、便携式可视电话、PC机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安防监控、汽车防盗、机器视觉、车载电话、指纹识别、手机等图像领域。本文介绍的是由美国OmniVision技术公司生产的OV9120黑白CMOS图像传感器,它采用独特的传感器专利工艺技术和先进的算法(algorithms)解决了先前CMOS感光器件固定图像噪声(FPN)的限制。因而可广泛应用于数字静止摄像、视频会议、视频电话、计算机视觉、生物测量等领域。