那么，你知道CMOS图像传感器是如何变成现在这般的吗？它有哪些分类？本文就带你一起理解一下CMOS图像传感器的进化进程，以及堆栈式与单芯片技能的优缺陷与适用场景。
CMOS图像传感器的发展历史
自从1969年，美国贝尔实验室发明电荷耦合器件（CCD），并提出固态成像器件观点后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技能中的一个主要分支。实在互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与CCD图像传感器的研究险些是同时起步的，只是由于当时工艺水平的限定，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声高，以及光照灵敏度不足等缘故原由，从而没有得到重视和发展。
后来，随着集成电路（IC）设计技能和工艺水平的提升，CMOS图像传感器过去的缺陷，都被战胜掉了，CMOS图像传感器逐渐成为研究的热点，并成为了市场的主流。
图：CMOS图像传感器内部构造示意图（来源：格科微招股书）
CMOS图像传感器最大的上风是可以集成在单片芯片上，它能将图像传感与采集、仿照旗子暗记处理电路、模数转换模块、数字逻辑电路、时钟掌握电路，以及外围输入/输出电路等都集成在单颗芯片上。其事情事理是，首先通过感光单元阵列将所获取工具景物的亮度和色彩等信息由光旗子暗记转换为电旗子暗记；再将电旗子暗记读出，并通过ADC模数转换模块转换成数字旗子暗记；末了将数字旗子暗记进行预处理，并通过传输接口将图像信息传送给平台吸收。
CMOS图像传感器的出身，一贯以来有两种版本。一是在1993年4月，NASA的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Dr. Eric R. Fossum团队研制出了CMOS有源像素传感器，不过在NASA的反响并不乐不雅观，因此在1995年，Fossum与他当时的妻子，及他在JPL的同事Sabrina Kemeny共同创办了Photobit公司进行CMOS传感器的商业化。并于1998年推出了第一个产品PB-159，次年推出了PB-100，该芯片被用在了英特尔的一款网络相机Easy PC相机中，将视频会议带入了事情场景。
另一个版本是在1989年，英国爱丁堡大学的Peter Denyer教授、David Renshaw博士，及当时在爱丁堡大学做科研的王国裕和陆明莹携手揭橥了一篇论文，先容了他们在CMOS 图像传感器方面的研究事情，并于1990年底芯片流片成功。
不管是哪一个版本，在市场的年夜水中，他们都淹没在了浩瀚玩家当中，如今的CMOS图像传感器头部玩家紧张是索尼、三星电子和格科微等厂商。
CMOS图像传感器的分类
CMOS图像传感器按照感光元件安装的位置，紧张可分为前照式构造（FSI）、背照式构造（BSI）、以及在背照式构造根本上改良的堆栈式构造（Stacked）。
前期的CMOS图像传感器紧张是FSI构造，由于这种构造工艺大略；其缺陷是，由于它的感光元件在底层，进入的光芒比较少，因此成像效果一样平常。该构造的CMOS图像传感器的像素范围一样平常在200万像素以下。
为了加强整体成像效果，BSI构造应运而生，该技能改变了光芒的入射方位，将电气组件与光芒分离，有效减少了光子的损耗，大幅提升了CMOS图像传感器的量子效率，提升了暗光和室外场景下的拍照品质。也便是说它比较FSI构造具有感光度和量子效率更高、感光角度更广、像素串扰更低、成像品质更高的优点，缺陷是工艺繁芜，本钱高。此类构造紧张运用在500万以上像素的CMOS图像传感器产品中。
实在，2003年景立的格科微很早就开始了CMOS图像传感器的研发，并于2005年成功研发出了海内首颗FSI构造CMOS图像传感器；2012年实现技能打破，推出了海内首颗BSI图像传感器。
随着市场对CMOS图像传感器像素、帧率、成像效果（比如高信噪比、低照度及动态环境感知等）的哀求越来越高，CMOS传感器企业索尼在BSI构造的根本上开拓出了堆栈式构造，在上层仅保留感光元件而将所有线路层移至感光元件的下层，再将两层芯片叠在一起，芯片的整体面积被极大地缩减，还可有效抑制电路噪声从而获取更优质的感光效果。采取堆栈式构造的 CMOS 图像传感器可在同尺寸规格下将像素层在感知单元中的面积占比从传统方案中的近 60%提升到近 90%，图像质量大大优化。同理，为达到同样图像质量，堆栈式 CMOS 图像传感器相较于其他种别 CMOS 图像传感器所须要的芯片物理尺寸则可大幅低落。这使得CMOS图像传感器的本钱得到了改进，逐渐成为高像素CMOS市场主流。
但近年来，行业里涌现了另一种与堆栈式截然不同的高像素CIS技能路线——单芯片高像素集成。
格科微的单芯片高像素技能
同样是为了知足市场对CMOS图像传感器高像素、高帧率及高成像效果的需求，格科微另辟路子，凭借他们在单层晶圆CMOS领域近20年的积累，自主研发了单层晶圆高像素工艺及电路技能，攻破了像素特色工艺和逻辑常规工艺的相容性鸿沟，无需堆叠，即可实现高品质成像。
比如说，格科微通过其自有专利技能------FPPI（Floating Ploy Pixel Isolation）隔离技能实现了高像素的同时，还降落了白点及暗电流来源，保障成像品质。从采取了该专利技能0.7μm像素的图像传感器GC32E1的表现就可见一斑。该高像素单芯片CMOS图像传感器，在各个成像指标上与同规格堆栈产品持平。
据公开信息显示，GC32E1支持3200万全像素输出，搭配手机平台Remosaic解码功能，能够得到细节丰富、色彩鲜艳的照片。就算在夜间、暗态等环境下，也可拍出通亮清晰的照片。而且，在视频运用方面，它可支持交错式HDR技能，能在明暗差异大的环境中提升动态范围，避免暗处去世黑，或者亮处过曝。
值得一提的是，格科微还在片内ADC电路、数字电路，以及接口电路等方面也做创新设计，使得其单芯片高像素CMOS图像传感器能与市场上同规格的双片堆栈产品的模组尺寸兼容，面积仅增加约 10%，总硅片用量减少40%，显著提高了晶圆面积利用率，大大改进本钱构造。
格科微目前采取了FPPI专利技能的CMOS传感器产品有GC50B2、GC50E0、GC32E1、GC08A3、GC13A0、GC13A2、GC16B3等，个中，单芯片3200万像素CIS已导入品牌并成功量产，单芯片技能路线可行性、量产能力通过验证。据理解，格科微未来还会持续推出基于单芯片高像素平台的5,000万及以上高像素规格产品。
结论
单芯片CMOS图像传感器和堆栈式CMOS图像传感器是目前图像传感技能中运用广泛的两种技能，两者都有实在用的场景和局限性。高像素领域，得益于工艺与技能进步，单芯片CIS上风渐显，可能会成为与堆栈同样主要的技能路线。未来，随着手机成像等终端市场趋于成熟，人工智能、云打算等技能的不断发展，CMOS图像传感器将不断升级，更多的创新和运用将不断呈现。
参考文章：
CMOS图像传感器35年史和中国人的关键贡献，作者：戴辉
格科微有限公司首次公开拓行股票并在科创板上市招股解释书（注册稿）
