日常生活中的很多產品，比如手機、數碼相機、車載攝像頭等都有CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）的身影，在它的幫助下，人們可以獲得更清晰，更高質量的圖片和視頻。這主要是得益于CMOS圖像傳感器是一種將光轉換為電信號的裝置，且隨著CMOS工藝技術的進步，作為攝像頭“眼睛”的CMOS圖像傳感器具有了高分辨率、低噪聲、大動態范圍、智能化等特點。

那么，你知道CMOS圖像傳感器是如何變成現在這般的嗎？它有哪些分類？本文就帶你一起了解一下CMOS圖像傳感器的進化歷程，以及堆棧式與單芯片技術的優缺點與適用場景。

CMOS圖像傳感器的發展歷史

自從1969年，美國貝爾實驗室發明電荷耦合器件（CCD），并提出固態成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發展，成為傳感技術中的一個重要分支。其實互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時起步的，只是由于當時工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質量差、分辨率低、噪聲高，以及光照靈敏度不夠等原因，從而沒有得到重視和發展。

后來，隨著集成電路（IC）設計技術和工藝水平的提升，CMOS圖像傳感器過去的缺點，都被克服掉了，CMOS圖像傳感器逐漸成為研究的熱點，并成為了市場的主流。

圖：CMOS圖像傳感器內部結構示意圖（來源：格科微招股書）

CMOS圖像傳感器最大的優勢是可以集成在單片芯片上，它能將圖像傳感與采集、模擬信號處理電路、模數轉換模塊、數字邏輯電路、時鐘控制電路，以及外圍輸入/輸出電路等都集成在單顆芯片上。其工作原理是，首先通過感光單元陣列將所獲取對象景物的亮度和色彩等信息由光信號轉換為電信號；再將電信號讀出，并通過ADC模數轉換模塊轉換成數字信號；最后將數字信號進行預處理，并通過傳輸接口將圖像信息傳送給平臺接收。

CMOS圖像傳感器的誕生，一直以來有兩種版本。一是在1993年4月，NASA的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Dr. Eric R. Fossum團隊研制出了CMOS有源像素傳感器，不過在NASA的反響并不樂觀，因此在1995年，Fossum與他當時的妻子，及他在JPL的同事Sabrina Kemeny共同創辦了Photobit公司進行CMOS傳感器的商業化。并于1998年推出了第一個產品PB-159，次年推出了PB-100，該芯片被用在了英特爾的一款網絡相機Easy PC相機中，將視頻會議帶入了工作場景。

另一個版本是在1989年，英國愛丁堡大學的Peter Denyer教授、David Renshaw博士，及當時在愛丁堡大學做科研的王國裕和陸明瑩聯袂發表了一篇論文，介紹了他們在CMOS 圖像傳感器方面的研究工作，并于1990年底芯片流片成功。

不管是哪一個版本，在市場的洪流中，他們都淹沒在了眾多玩家當中，如今的CMOS圖像傳感器頭部玩家主要是索尼、三星電子和格科微等廠商。

CMOS圖像傳感器的分類

CMOS圖像傳感器按照感光元件安裝的位置，主要可分為前照式結構（FSI）、背照式結構（BSI）、以及在背照式結構基礎上改良的堆棧式結構（Stacked）。

前期的CMOS圖像傳感器主要是FSI結構，因為這種結構工藝簡單；其缺點是，因為它的感光元件在底層，進入的光線比較少，因此成像效果一般。該結構的CMOS圖像傳感器的像素范圍一般在200萬像素以下。

為了加強整體成像效果，BSI結構應運而生，該技術改變了光線的入射方位，將電氣組件與光線分離，有效減少了光子的損耗，大幅提升了CMOS圖像傳感器的量子效率，提升了暗光和室外場景下的拍照品質。也就是說它相比FSI結構具有感光度和量子效率更高、感光角度更廣、像素串擾更低、成像品質更高的優點，缺點是工藝復雜，成本高。此類結構主要應用在500萬以上像素的CMOS圖像傳感器產品中。

其實，2003年成立的格科微很早就開始了CMOS圖像傳感器的研發，并于2005年成功研發出了國內首顆FSI結構CMOS圖像傳感器；2012年實現技術突破，推出了國內首顆BSI圖像傳感器。

隨著市場對CMOS圖像傳感器像素、幀率、成像效果（比如高信噪比、低照度及動態環境感知等）的要求越來越高，CMOS傳感器企業索尼在BSI結構的基礎上開發出了堆棧式結構，在上層僅保留感光元件而將所有線路層移至感光元件的下層，再將兩層芯片疊在一起，芯片的整體面積被極大地縮減，還可有效抑制電路噪聲從而獲取更優質的感光效果。采用堆棧式結構的 CMOS 圖像傳感器可在同尺寸規格下將像素層在感知單元中的面積占比從傳統方案中的近 60%提升到近 90%，圖像質量大大優化。同理，為達到同樣圖像質量，堆棧式 CMOS 圖像傳感器相較于其他類別 CMOS 圖像傳感器所需要的芯片物理尺寸則可大幅下降。這使得CMOS圖像傳感器的成本得到了改善，逐漸成為高像素CMOS市場主流。

但近年來，行業里出現了另一種與堆棧式截然不同的高像素CIS技術路線——單芯片高像素集成。

格科微的單芯片高像素技術

同樣是為了滿足市場對CMOS圖像傳感器高像素、高幀率及高成像效果的需求，格科微另辟蹊徑，憑借他們在單層晶圓CMOS領域近20年的積累，自主研發了單層晶圓高像素工藝及電路技術，攻破了像素特色工藝和邏輯常規工藝的相容性鴻溝，無需堆疊，即可實現高品質成像。

比如說，格科微通過其自有專利技術------FPPI（Floating Ploy Pixel Isolation）隔離技術實現了高像素的同時，還降低了白點及暗電流來源，保障成像品質。從采用了該專利技術0.7μm像素的圖像傳感器GC32E1的表現就可見一斑。該高像素單芯片CMOS圖像傳感器，在各個成像指標上與同規格堆棧產品持平。

據公開信息顯示，GC32E1支持3200萬全像素輸出，搭配手機平臺Remosaic解碼功能，能夠得到細節豐富、色彩鮮艷的照片。就算在夜間、暗態等環境下，也可拍出明亮清晰的照片。而且，在視頻應用方面，它可支持交錯式HDR技術，能在明暗差異大的環境中提升動態范圍，避免暗處死黑，或者亮處過曝。

值得一提的是，格科微還在片內ADC電路、數字電路，以及接口電路等方面也做創新設計，使得其單芯片高像素CMOS圖像傳感器能與市場上同規格的雙片堆棧產品的模組尺寸兼容，面積僅增加約 10%，總硅片用量減少40%，顯著提高了晶圓面積利用率，大大改善成本結構。

格科微目前采用了FPPI專利技術的CMOS傳感器產品有GC50B2、GC50E0、GC32E1、GC08A3、GC13A0、GC13A2、GC16B3等，其中，單芯片3200萬像素CIS已導入品牌并成功量產，單芯片技術路線可行性、量產能力通過驗證。據了解，格科微未來還會持續推出基于單芯片高像素平臺的5,000萬及以上高像素規格產品。

結論

單芯片CMOS圖像傳感器和堆棧式CMOS圖像傳感器是目前圖像傳感技術中應用廣泛的兩種技術，兩者都有其適用的場景和局限性。高像素領域，得益于工藝與技術進步，單芯片CIS優勢漸顯，可能會成為與堆棧同樣重要的技術路線。未來，隨著手機成像等終端市場趨于成熟，人工智能、云計算等技術的不斷發展，CMOS圖像傳感器將不斷升級，更多的創新和應用將不斷涌現。

參考文章：

CMOS圖像傳感器35年史和中國人的關鍵貢獻，作者：戴輝

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