CMOS图像传感器的发展加速，以服务于各种应用
文章：康丰SEO
CMOS图像传感器的设计正在经历一个加速的发展阶段，以服务于各种应用。
大约五亿四千万年前，生物的快速进化，即寒武纪大爆发，导致了物种的多样化。这种多样化的原因之一是各种感觉器官的发展，而眼睛的诞生是这一过程中最重要的事件。我们使用的电子设备也出现了类似的现象。随着数字化的不断发展，相机在移动设备中扮演着眼睛的角色，CMOS图像传感器(CIS)捕捉像视网膜一样的图像。
通过CIS技术，我们可以方便地处理、复制和保存大量的图像信息。因此，移动设备必须处理大量数据，这再次推动了应用程序处理器(ap)或扮演大脑角色的存储器的容量和性能的爆炸性增长。此外，从用户的角度来看，相机变得更加重要，这导致了移动设备的多样化。
寒武纪时期发生的变化已经通过电子设备反映在我们的日常生活中。和最近的COVID-19大流行开设了“免费”时代的“无联络”时代，具有加速多样化，并提供了电子设备的增长突发。大流行将很快结束，但趋势将继续。
像眼睛
CIS的最大作用是准确地重现世界，因为我们通过眼睛看到它。我们希望它具有与人眼相似的分辨率水平，并且在黑暗和明亮的环境中需要看到良好的环境，同时也识别高速的移动物体。
图1展示了CIS的基本像素(PX)结构和操作特点。物体反射的光通过光学系统进入光电二极管，当光的光子能量超过半导体的带隙能量时，就会产生e-/h+对。累积和读取这个信号可以根据光的强度形成2D图像。硅的禁带能量为1.1 eV，可以覆盖人眼的整个可见光谱。
图1该图突出显示了CIS的基本像素结构和操作特性。来源：SK海力士
在黑暗条件下要想看得好，需要放大来自少量光的信号，同时尽可能地抑制非光信号(噪音)。此外，在明亮的条件下看东西需要接收大量的光，并能很好地分辨出来。这些特性可以通过诸如信噪比(SNR)和动态范围(DR)等指标来量化。
在低信噪比方面，人们一直在努力放大信号，减少不必要的噪声。今天，我们不断地改进这些特性到5勒克斯的水平，这是一个相当黑暗的环境。在DR方面，人眼的场景内DR一般为120 dB，场景间DR一般为180 dB，而当前智能手机的场景内DR一般为70 dB，场景间DR一般为120 dB，并在不断改进中。
影响这些特性的最重要因素是像素大小和分辨率。CIS分辨率越高，PX大小越小。要在相同分辨率的较小区域上实现CIS，像素大小也必须更小。关键因素是在缩小PX大小的同时，保持上述特征在同一水平。
图2对于CIS设计，万博投注网址信噪比和动态范围是至关重要的特性。资料来源：SK Hynix
像素大小和分辨率的竞争还会持续多久?人眼在静态图像中心的分辨率为5.76亿像素，在移动图像中心的分辨率为800万像素。独联体继续发展以赶上这一水平。发展的速度有所放慢约1.12μm 13 PX大小和像素分辨率,但四technology-merging 2×2的介绍相同的像素颜色filter-once再次加速的速度迅速萎缩的像素大小的0.7 -μm范围和64像素的分辨率。
现在，随着Nona (3×3)和QxQ (4×4)技术的发展，PX尺寸不断发展到0.6X-μm范围。PX缩窄技术导致最近发布了一款1.08亿像素分辨率的传感器，人们越来越期待不久将发布一款2亿像素分辨率的相机。
我们已经赶上了很多。视频不需要高分辨率，这就是为什么上述像素绑定技术被积极采用的原因。有了这个功能，摄像头现在可以支持以60fps的速度不间断录制4K (4,000×2,000: 800万像素)视频。像素绑定技术使相机在视频中保持大像素的特性，提供卓越的低光灵敏度和dr。未来，视频捕捉有望增加超低光、动态范围扩展技术、快速自动对焦等客户增值功能。
图3.低光信噪比和动态范围扩展是视频采集应用的关键特征。资料来源：SK Hynix
缩小面积，包括缩小PX尺寸是所有半导体器件的命运。为了在较小的区域内保持相同的特性，在设备和进程方面已经做出了很大的努力。这些技术包括掺杂优化和垂直转移门，以提高全井容量(FWC)，同时保持电荷转移效率，源跟踪器工程，以及各种设计技术来降低噪声。然后有颜色过滤隔离和深沟隔离技术，以减少相邻像素之间的干扰。最后，工程师可以使用较厚的epi层来提高PX灵敏度或应用各种颜色滤镜相关技术。
通过上述技术，在看图像方面，半导体现在几乎与生物生物眼的表现几乎等于性能。然而，就能源效率而言，仍有改进。我们目睹了低功耗技术中的趋势，例如从待机模式下运行的待机模式时打开，通过压缩传感方法在最小的电源上运行的常用电源或优化电力。
图4.CIS设万博投注网址计继续发展像素缩放技术。资料来源：SK Hynix
超出了眼睛
CIS进一步扩展其应用领域，一个代表是深度传感技术。人眼可以使用双目视差感测距离，并且在早期，开发了CIS以使用两个摄像机施加相同的方法。然而，由于精度，距离可扩展性和两个相机之间的最小距离的限制，现在正在不同的努力。
这种方法被称为飞行时间(ToF)，它是根据物体反射回来的光的时间差来测量距离的。ToF可以分为两种类型:直接ToF和间接iToF。根据操作原理，这两种方法各有优缺点。
基于其模拟电荷累积的操作原理，ITOF感应在可测量的距离范围内受到可测量距离范围的限制。另一方面，由于甚至检测一个单光子雪崩二极管（SPAD）的细胞大小的挑战，DTOF感测是限制的，该挑战是检测到一个单光子雪崩二极管（SPAD）的尺寸以及需要在每个单元中堆叠读出电路的需要。由于这些强度和缺点，这两种方法用于特定应用，它们的优点可以实现和杠杆化。
图5.该图突出了飞行时间传感器操作原理和应用领域。资料来源：SK Hynix
图6.SK海力士的首个ToF传感器可以提供红外和深度图像数据。资料来源：SK Hynix
图7.这张图突出了iToF和dof传感器的发展。资料来源：SK Hynix
CIS仍在寻求通过扩展应用领域在利用紫外线，红外线，近红外线和短波红外线的应用领域来促进富有人类生活的方法。这些波长将带来替代硅缺点的机会，其中替代材料如GE，IngaAs和InP。另外，多频率和超光谱成像或偏振传感器也已经开始贡献。
图8.CIS的使用正在扩展到各种应用程序。资料来源：SK Hynix
人工智能(AI)被广泛应用于多个行业，也为这一领域带来了好处。CIS目前正在将应用扩展到物体识别和安全。然而，相机在社会许多方面的出现导致了对隐私保护的关注。关键是将确保安全性所需的数据传输到服务器，同时防止其他数据被暴露。因此，AI功能将迁移到边缘设备，使我们能够减少物联网设备之间的数据传输，实现节能。红外数据的使用和事件驱动传感器的出现也符合这一方向。
随着这些应用，一系列新技术正在出现。这包括开发新的可穿戴设备，例如头戴式显示器（HMD）和AR / VR眼镜以及应用于自主车辆，机器人和无人机等应用的各种传感器。
本文最初发布经济日报。
Kangbong SEO是SK Hynix未来创新技术的负责人。
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