第四章：你造吗？CMOS传感器的构成与关键

慧眼网 邓林供稿

 

图像传感器的功能是光电转换。关键的参数有像素、单像素尺寸、芯片尺寸、功耗。技术工艺上有前照式（FSI）、背照式（BSI）、堆栈式（Stack）等。以下简单介绍。

 

一、图像传感器架构

 

COB封装的图像传感器绑定金线后示意

图像传感器从外观看分感光区域（Pixel Array），绑线Pad，内层电路和基板。感光区域是单像素阵列，由多个单像素点组成。每个像素获取的光信号汇集在一起时组成完整的画面。

CMOS芯片由微透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层、基板层组成。

 

CMOS芯片剖面图

由于光线进入各个单像素的角度不一样，因此在每个单像素上表面增加了一个微透镜修正光线角度，使光线垂直进入感光元件表面。这就是芯片CRA的概念，需要与镜头的CRA保持在一点的偏差范围内。

电路架构上，我们加入图像传感器是一个把光信号转为电信号的暗盒，那么暗盒外部通常包含有电源、数据、时钟、通讯、控制和同步等几部分电路。可以简单理解为感光区域（Pixel Array）将光信号转换为电信号后，由暗盒中的逻辑电路将电信号进行处理和一定的编码后通过数据接口将电信号输出。

 

二、图像传感器关键参数

 

1.像素：指感光区域内单像素点的数量，比如5Maga pixel，8M，13M，16M，20M，像素越多，拍摄画面幅面就越大，可拍摄的画面的细节就越多。

 

2.芯片尺寸：指感光区域对角线距离，通常以英制单位表示，比如1/4inch，1/3inch，1/2.3inch等。芯片尺寸越大，材料成本越高。

 

3.单像素尺寸：指单个感光元件的长宽尺寸，也称单像素的开口尺寸，比如1.12微米，1.34微米，1.5微米等。开口尺寸越大，单位时间内进入的光能量就越大，芯片整体性能就相对较高，最终拍摄画面的整体画质相对较优秀。单像素尺寸是图像传感器一个相当关键的参数。

 

其他更深入的参数比如SNR，Sensitivity，和OB Stable等在这里不做介绍，朋友们可以研究探讨。

三、前照式（FSI）与背照式（BSI）

 

传统的CMOS图像传感器是前照式结构的，自上而下分别是透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层。采取这个结构时，光线到达感光元件层时必须经过线路层的开口，这里易造成光线损失。

 

而背照式把感光元件层换到线路层的上面，感光层只保留了感光元件的部分逻辑电路，这样使光线更加直接的进入感光元件层，减少了光线损失，比如光线反射等。因此在同一单位时间内，单像素能获取的光能量更大，对画质有明显的提升。不过该结构的芯片生产工艺难度加大，良率下降，成本相对高一点。

四、堆栈式（Stack）

 

堆栈式是在背照式上的一种改良，是将所有的线路层挪到感光元件的底层，使开口面积得以最大化，同时缩小了芯片的整体面积。对产品小型化有帮助。另外，感光元件周边的逻辑电路移到底部之后，理论上看逻辑电路对感光元件产生的效果影响就更小，电路噪声抑制得以优化，整体效果应该更优。业内的朋友应该了解相同像素的堆栈式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆栈式的生产工艺更大，良率更低，成本更高。索尼的IMX214（堆栈式）和IMX135（背照式）或许很能说明上述问题。