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CMOS传感器的一些技术进展
作者：（郭长佑／DIGITIMES）
引言：从多项层面看，CMOS影像传感器的持续强劲发展，最终将超越CCD影像传感器，且这样的转变预计在往后几年内就会实现，不过与其它变革相同的，从旧变革到新，其利、弊两者必然纷陈，CMOS影像传感器如何累积能量与优势，将弊处降至最低、益处持续提升，这将成为CMOS影像传感器后续发展推进的主要课题……

部份分析观察家指出：2010年时，笔记型计算机的总产值将超越桌上型计算机、2011年32位微控制器的总产值将超越8位微控制器。类似的，自从90年代末CMOS影像传感器即开始在一些应用上逐步取代CCD（Charge-Coupled Devices）影像传感器，而这样的取代效应仍持续酝酿发酵，再加上多项新影像感测应用的出现，如拍照手机、指纹辨识、网际视讯等，使CMOS影像传感器的用量进一步的扩增，加上质量技术的强化改进，因此人们预估约在今年、明年，CMOS影像传感器的总产值就会超越CCD影像传感器。

虽然CMOS影像传感器超越CCD影像传感器已成时间问题，但即便总产值超越CCD也不代表CMOS影像传感器的一切表现都将超越CCD影像传感器，虽然CMOS影像传感器在多项表现上优于CCD影像传感器，但仍有许多方面不如CCD影像传感器，如果CMOS影像传感器不能在这些落后项目上力求改进，那么CCD影像传感器将持续在某些应用领域中占有市场，且不一定拘限于利基市场，如此将有可能影响到CMOS影像传感器在应用范畴上的持续推进。

因此，本文以下将针对现有CMOS影像传感器的发展、技术等进行更多探讨，同时也再次审视、比较CMOS影像传感器与CCD影像传感器的优劣性，做为日后各项应用设计时的评估参考。

CMOS感测品质大跃进：主动式像素技术

首先我们必须从过往的技术历程来了解CMOS影像传感器与CCD影像传感器，老实说CCD影像传感器的运用历史远比CMOS悠久，CCD影像传感器的应用至今已超过30年的历史，相对的CMOS影像传感器的应用约在1990年中期才展露。

在1990年中期以前，CMOS影像传感器并没有受到重视，原因在于感测影像质量的低落，然1990年中期对CMOS影像传感器而言实是一个技术发展演进的转折点，此时美国国家航空暨太空总署（National Aeronautics and Space Administration；NASA）的喷射推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发明了主动式像素（Active Pixel）的CMOS影像传感器架构，此架构提出后大幅改善CMOS影像传感器的影像感测质量，自此以后CMOS影像传感器的应用才逐渐开展。也因为主动式像素架构的提出，为了与过往的架构有所区别，因此将过去的传统架构称为被动式像素（Passive Pixel）架构。

为何主动式像素传感器架构能大幅改善CMOS影像传感器的影像感测质量呢？这必须从架构设计上来说明，传统被动式像素是将每个独立晶体管（并搭配电容器）做为每个影像感测像素的开关（Switch），将传感器感应到光源，并将光转换成电子后，将这些输出的电子储存到电容器内，之后再读取行列交会处的电容器，并将电容器内的电子讯号透过讯号放大器加以放大。

相对的，主动式像素架构的作法是在每个影像感测像素上都设置讯号放大器与噪声控制组件，这样就可以避免被动式像素架构的一些缺陷，被动式像素架构的主要弱处就在于讯号运送过程中遭受到噪声干扰，而主动式像素感测因为就近在为每个像素设置专属的讯号放大器、噪声控制等设计，使噪声的影响大幅降低，进而提升了影像感测质量。

图说：南韩MagnaChip公司的CMOS影像传感器之摄影机模块：HV7171SP（210万像素），该模块为固定对焦型，图中为模块与一般回形针的尺寸比较。（）

CMOS与CCD之比较

在感测质量大幅改善后，CMOS影像传感器在诸多的本质特性上反而优于CCD影像传感器，这也使得愈来愈多的应用设计者愿意用CMOS影像传感器来取代CCD影像传感器，到底有哪些本质特性是CMOS优于CCD，以下将逐一说明。

◆低成本性、高整合性

CCD影像传感器使用特有的成形结构，需要独有、专属的制造、制程技术来实现，因此制造成本较高。相对的，CMOS影像传感器能够用标准的制造设备来产制，现今所有的半导体芯片有90%都是透过这些标准化设备、设施所产出，包括CPU、RAM、ROM等芯片都是，标准化的结果可以让CMOS影像传感器的成本降低。

也因为使用标准的半导体制程，所以CMOS影像传感器不仅可以使用较先进的缩密制程，也才能方便整合讯号放大器、噪声控制等电路，来实现主动式像素的传感器架构，同时标准制程也让CMOS影像传感器能方便整合影像处理方面的电路，高整合度不仅也有助于降低制造成本，同时也更适合一些以轻便为主要诉求的应用中，如照相手机即是一例。（附注1）

◆低用电性、易驱动性

主动式像素传感器架构的CMOS影像传感器的用电相当少，与CCD影像传感器相比可相差达近100倍，这对行动应用（如：笔记型计算机）、手持式应用（如：手持式扫描仪）等使用电池运作的装置而言相当重要，在相同像素下CMOS影像传感器约只要20mW～50mW的用电，相对的CCD影像传感器却需要2W～5W的用电。

此外CMOS影像传感器只要单一固定电压（5V或者是3.3V）的供电就可驱动运作，但CCD影像传感器却需要摆荡性的电压（5V～15V间变化）才能运作，这对应用开发设计者而言，CCD设计反而是较困难与繁琐。

◆随机读取像素区　增加感测应用弹性

由于主动式像素结构的CMOS影像传感器，其每个感应像素都具有独立配属的光电二极管（PhotoDiode，也称：感光二极管）及读取感测信号用的放大器（Readout Amplifier），如此感应的电荷可以从行列线路上（X-Y Wires）读取，相对的CCD影像传感器的每一个电荷区（Charge Domain）是用移位缓存器（Shift Register）来读取，所以CMOS影像传感器无论从行或列都可以进行寻址，如此与一般的RAM内存相当类似。

具有此一独到特性后，CMOS影像传感器可以实现只读取整体影像感应中的部分窗区内容，此称之为「Windowing」，此可以用来实现芯片内的电子式镜头移动、偏向、缩放等效果。更广义地说，Windowing特性对影像感测应用而言能带来压缩、移动性侦测、或目标追踪等功效，此一特性对保全监视用的摄影系统设计而严格外受用。

◆更快速的画框率

主动式像素在结构上就具有快速感测的天性，因此适合用在一些（移动）动作分析方面的应用，主动式像素在驱动影像数组中的栏（Column）总线的速度上能够过去的被动式像素结构快速，同时也比CCD影像传感器快速。另外CMOS影像传感器可以内建模拟数字转换器（Analog Digital Converter；ADC），使感测数据可以尽快输出到感测芯片外，内建模拟数字转换器的另一好处是感测影像直接在芯片内就转换成数字信号，如此可以免去模拟信号因传输而遭受到噪声干扰。

◆更容易实现智能型功效

同样是CMOS制程的天性使然，CMOS影像传感器可以与信号处理整合设计，如此可让CMOS影像传感器的功效超越传统的标准摄影机功效，例如透过信号处理可以实现自动曝光控制（Auto Exposure Control；AGC），另外也可以抵抗抖动（Anti Jitter），使影像画面更为稳定，此即是一般所言的「防手振」功能，另外也可以进行影像画面的压缩，在影像数据尚未输出到芯片外部前就已经完成压缩程序，可加速影像数据的传输，或者为了设计弹性也可用原生方式传出影像数据，再于芯片外进行压缩程序。

不仅如此，其它的信号处理功效还有色彩编码（Color Encoding）、内建计算机用的数据总线接口电路、提供多种分辨率的成像方式、画面动作追踪等，甚至可针对某些影像应用而进行信号处理的支持性，例如视讯会议（Video Conferencing）、无线控制等。

图说：美国美光（Micron）公司的CMOS影像传感器：MT9E001，该影像传感器具有800万像素，分辨率为3,264（水平）x2,448（垂直），MT9E001并不是单芯片型态的影像传感器，而是单纯的影像传感器，其它相关影像处理必须将感测资料读出后才能进行。（www.M）

CMOS如何改善画质

CMOS影像传感器虽然有诸多特点胜过CCD影像传感器，但CMOS影像传感器依然有些方面不如CCD影像传感器，例如在亮度不足、偏暗的情况下，其影像感测效果就会大幅转劣，但CCD影像传感器却没有这样的问题。为了改善此一问题，目前业界已经提出一些改善尝试，包括如何让更多的光引入传感器内，以及降低影像传感器的噪声问题。

以加强引光而言，业者提出微透镜（Micro Lens）技术，让更多的光源能导入到影像传感器的表面（光电二极管）上，言下之意是增加感应的亮度，不过微透镜技术已属微机电系统（MEMS）的层次，而非原有的单纯半导体电路层次，所以挑战难度的增加自是不难想象。

另外一种作法是在原有半导体制程上强化，业者CMOS电路的硅表面上掺入杂质，以此形成1个针扎层（Pinning Layer），新增此结构可将光源吸收到硅芯片的内部，进而降低（光电二极管）表面的噪声，此种作法也称为针扎光电二极管（Pinned Photodiode）目前此种作法确实改善了噪声问题，使感测质量提升，不过现阶段此种制程也会增加芯片的制造成本。

不过，上述两种改善感测画质的方式，都尚未真正成熟普及，其它的尝试技术也都类似，一旦CMOS影像传感器在感测画质上能再行提升，那么取代CCD影像传感器的进度也会更为加速。

附注1：朝「标准CMOS制程」方向统一不仅是影像传感器（Image Sensor）如此，无线射频收发器（RF Transceiver）也是一样，今日愈来愈多半导体业者以全CMOS制程来产制蓝牙收发器芯片、WiFi收发器芯片（如：Broadcom、CSR、TI等），不仅可以达到单芯片化的高整合度，同时也降低制造成本，但缺点上却也相同，影像感测方面将降低感测质量（与CCD结构相比），无线收发方面将降低收发效率（与BiCMOS制程相