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本文主要介绍最先进的CMOS图像传感器技术以及未来的发展。 图像传感器的定义和用途 图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异 · “模拟”CCD执行光子到电子的转换。 · “数字”CMOS图像传感器（CIS）执行光子到电压的转换 图像传感器用于数码相机和成像设备，将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。 CIS vs. CCD 今天，有两种不同的技术用于数字图像采集（图1）： · 电荷耦合器件（CCD）是线性传感器，其输出与接收到的光子数量直接相关。 · 互补金属氧化物半导体（CMOS，或CMOS图像传感器CIS）是一种较新的并行读出技术。 这两种类型的成像设备都将光转化为电子（或电荷），随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动，直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的CIS技术提供了一个并行读出架构，其中每个像素都可以单独寻址，或者作为一个组并行地读出（参见图1）。 CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的价格下降，数码相机已经变得非常便宜和普及。 在表1中，我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点，在不同的应用中各显其能（用绿色表示）。 表1：CCD与CMOS架构比较（来源：e2V） 图2：CIS中的关键组件（来源：IBM，FSI） 图3::：FSI vs. BSI BSI技术涉及到将图像传感器倒置，并将彩色滤光片和微透镜应用于像素的背面，以便传感器可以通过背面收集光线。 BSI具有深光电二极管和短光路，从而具有更高的量子效率（1）（QE）和较低的串扰（2）（见图4）。 图4：串扰 （1）QE =转换成为电子的光子的百分比 （2）电子串扰=相邻像素之间的电荷（电子或空穴，取决于像素类型）的扩散。它由于底层的电子机制（扩散和漂移）而在硅材料中发生 BSI流程 使用BSI架构制作CMOS图像传感器需要许多工艺步骤。两种不同的BSI工艺流程Si-Bulk（图5）和SOI（图6）如下所示： 图5：BSI Si-Bulk简化流程 图6：BSI SOI工艺流程（来源：Yole） CIS的全局快门（GS）与滚动快门（RS） “滚动快门”（RS）是一个技术术语，指的是图像传感器扫描图像的方式。如果传感器采用RS，则表示从传感器的一侧（通常是顶部）到另一侧依次逐行扫描图像。通常，CMOS图像传感器在RS模式下工作，其中曝光和快门操作逐行（或逐列）执行。 “全局快门”（GS）也是一个技术术语，指的是可以同时扫描图像的整个区域的传感器。在GS传感器中，使用所有像素同时捕获图像。GS架构包括一个存储器结构和附加的MOS晶体管，以提供额外的功能。今天，大多数CIS成像器采用GS模式来避免失真和伪像，如寄生光敏感度（见图7）。使用GS功能的CMOS图像传感器用于各种领域，包括广播、汽车、无人机和监控应用。
图7：滚动（左）与全局（右）快门模式
索尼在2012年推出了全球首款用于消费电子产品的堆叠芯片CIS相机系统，2013年初，平板电脑中使用了8 MP ISX014堆叠芯片。第一代芯片采用了上一代TSV，将索尼制造的90nm CIS裸片的pad与65nm ISP的pad连接起来（来源：Chipworks）。 |
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