了解CMOS图像传感器的进化：堆栈式与单芯片的区别

日常生活中的很多产品，比如手机、数码相机、车载摄像头等都有CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）的身影，在它的帮助下，人们可以获得更清晰，更高质量的图片和视频。这主要是得益于CMOS图像传感器是一种将光转换为电信号的装置，且随着CMOS工艺技术的进步，作为摄像头“眼睛”的CMOS图像传感器具有了高分辨率、低噪声、大动态范围、智能化等特点。

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？本文就带你一起了解一下CMOS图像传感器的进化历程，以及堆栈式与单芯片技术的优缺点与适用场景。

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概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支。其实互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步的，只是由于当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声高，以及光照灵敏度不够等原因，从而没有得到重视和发展。

后来，随着集成电路（IC）设计技术和工艺水平的提升，CMOS图像传感器过去的缺点，都被克服掉了，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图像传感器内部结构示意图（来源：格科微招股书）

CMOS图像传感器最大的优势是可以集成在单片芯片上，它能将图像传感与采集、模拟信号处理电路、模数转换模块、数字逻辑电路、时钟控制电路，以及外围输入/输出电路等都集成在单颗芯片上。其工作原理是，首先通过感光单元阵列将所获取对象景物的亮度和色彩等信息由光信号转换为电信号；再将电信号读出，并通过ADC模数转换模块转换成数字信号；最后将数字信号进行预处理，并通过传输接口将图像信息传送给平台接收。

CMOS图像传感器的诞生，一直以来有两种版本。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，将视频会议带入了工作场景。

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联袂发表了一篇论文，介绍了他们在CMOS 图像传感器方面的研究工作，并于1990年底芯片流片成功。

不管是哪一个版本，在市场的洪流中，他们都淹没在了众多玩家当中，如今的CMOS图像传感器头部玩家主要是索尼、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，主要可分为前照式结构（FSI）、背照式结构（BSI）、以及在背照式结构基础上改良的堆栈式结构（Stacked）。

前期的CMOS图像传感器主要是FSI结构，因为这种结构工艺简单；其缺点是，因为它的感光元件在底层，进入的光线比较少，因此成像效果一般。该结构的CMOS图像传感器的像素范围一般在200万像素以下。

为了加强整体成像效果，BSI结构应运而生，该技术改变了光线的入射方位，将电气组件与光线分离，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。也就是说它相比FSI结构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，缺点是工艺复杂，成本高。此类结构主要应用在500万以上像素的CMOS图像传感器产品中。

其实，2003年成立的格科微很早就开始了CMOS图像传感器的研发，并于2005年成功研发出了国内首颗FSI结构CMOS图像传感器；2012年实现技术突破，推出了国内首颗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）的要求越来越高，CMOS传感器企业索尼在BSI结构的基础上开发出了堆栈式结构，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。采用堆栈式结构的 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类别 CMOS 图像传感器所需要的芯片物理尺寸则可大幅下降。这使得CMOS图像传感器的成本得到了改善，逐渐成为高像素CMOS市场主流。

但近年来，行业里出现了另一种与堆栈式截然不同的高像素CIS技术路线——单芯片高像素集成。

格科微的单芯片高像素技术

同样是为了满足市场对CMOS图像传感器高像素、高帧率及高成像效果的需求，格科微另辟蹊径，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术，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术------FPPI（Floating Ploy Pixel Isolation）隔离技术实现了高像素的同时，还降低了白点及暗电流来源，保障成像品质。从采用了该专利技术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，也可拍出明亮清晰的照片。而且，在视频应用方面，它可支持交错式HDR技术，能在明暗差异大的环境中提升动态范围，避免暗处死黑，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，大大改善成本结构。

格科微目前采用了FPPI专利技术的CMOS传感器产品有GC50B2、GC50E0、GC32E1、GC08A3、GC13A0、GC13A2、GC16B3等，其中，单芯片3200万像素CIS已导入品牌并成功量产，单芯片技术路线可行性、量产能力通过验证。据了解，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术中应用广泛的两种技术，两者都有其适用的场景和局限性。高像素领域，得益于工艺与技术进步，单芯片CIS优势渐显，可能会成为与堆栈同样重要的技术路线。未来，随着手机成像等终端市场趋于成熟，人工智能、云计算等技术的不断发展，CMOS图像传感器将不断升级，更多的创新和应用将不断涌现。

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

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