CMOS 图像传感器 CIS 技术专利分析
0 引言
1990 年代末,步入 CMOS 时代。CMOS 图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)与传统的 CCD 图像传感器相比,具有低功耗、读出速度快、电压低、易于与其他图像处理电路集成的优点[1]。近年来 CIS 发展十分迅速,逐渐成为多数成像领域的主要选择。本文从专利技术分析出发,分析了 CIS 技术的全球和中国专利发展状况,以及主要申请人的专利申请情况,对 CIS 技术的技术演进路线做了梳理,并预测了 CIS 技术领域的发展方向,期望能为国内申请人在 CIS 技术发展指明方向。
1 专利态势分析
最早的 CIS 专利是在 1985 年日本松下申请的申请号为 JP12182685A 的申请,其为 CIS 的发展拉开了序幕。此后多年其专利产量相对较低,1985~1996 年期间 CIS 专利的年申请量仅为个位数,属于 CIS 专利技术的萌芽期。1997~1999 年期间处于缓慢发展期,2000~2006 年快速发展期,2005 年达到整个历史发展的顶峰,这与日本索尼在2005 年提出 BSI 技术有关。2006 年后专利申请量呈下降趋势,2011 年达到低谷,2012 年又出现小高潮一方面与 BSI 技术发展有关。另一方面与索尼在 2012 年提出堆叠式 CMOS 技术有关,2013~2017 年增加趋于平稳,表明 CIS 专利技术的发展逐渐趋于成熟。2007 年至今是 CIS 专利技术发展的成熟期。
2 国家分布以及主要申请人分析
专利百分比排名前五的国家分别为美国、中国、韩国、日本和德国,而其他国家的占比均在 1% 左右,而 2012 年之前的排名为美国、日本、韩国、中国和德国。短短几年中国专利申请量已经超过日韩位居世界第二。一方面是因为中国专利制度越来越完善,另一方面表明越来越多的公司开始重视中国这个巨大的市场。从各国在华专利分布来看,美日韩申请人一直关注中国市场,而中国本土的申请是国内申请的主要来源。
全球排名前六的申请人分别是索尼、东部电子、美格纳、东部高科、豪威以及美光,集中在美日韩。在华申请中排名前十的申请人为上海集成电路、中芯国际、东部亚南、台积电、东部高科、天津大学、索尼、豪威、上海华力微电子、格科微电子,有两位来自韩国,美日各占一名。一名来自台湾,其余五位来自国内。近年来中国专利申请增长虽然迅猛,但是申请比较分散,中国申请在 CIS 领域的专利布局还需加强。
3 技术演进
CIS 的发展主要分为四个阶段(图 2)。
第一阶段萌芽期(1985~1996 年):在 1990 年代初,无源像素 CIS(PPS)作为第一代 CIS 进入市场,相对初期CIS,PPS 主要改善了信噪比。之后,有源像素 CIS(APS)作为第二代 CIS 相继出现,主要改善了读出噪声、读出速度,并在之后很长一段时间内,APS 一度成为 CIS 的研究焦点,这一时期专利数量不多。
第二阶段缓慢发展期(1997~1999 年):在 1990 年代末,美国斯坦福大学提出了数字像素 CIS(DPS),使用像素级模数转换器和存储单元,最大程度降低信号在排列中的衰减和干扰,提升成像质量。卷帘快门技术也在这一时期出现,卷帘快门通过对每列像素使用 A/D 来提高读取速度,每列像素数量可达数千,缩短了读取时间提高了帧速率,但对动态物体会产生畸变。
第三阶段是快速发展期(2000~2006 年):新技术层出不穷,2000 年全局快门技术出现,增加采样保持单元,动态物体无畸变,但引入了新噪音源。佳能提出一系列关于提高分辨的技术,东部电子提出了减少暗电流产生以及减少光刻次数的技术,三星提出了高速读取技术;索尼在 2005 年提出 BSI 技术[2-4],加速了 CIS 技术的发展,随后索尼在结构缩减和性能提升方面不断改进,并将 BIS 技术应用到第五代 Exmor 产品中。在这一时期索尼还提出了在数字电路进行 CDS 改进以降低 CFPN 的系列技术[5,6]。
第四阶段发展成熟期(2007 年至今):索尼将全局快门 CMOS 芯片小型化,三星改进 BIS 技术提升感光度,国际商业机器实现全局快门模式下背面照射,佳能提出在全局快门中为保持单元遮光消除新噪声源;2011 年索尼提出采用堆叠式 CIS 结构与 BSI 结构结合的新技术,并将其应用到第六代 Exmor 产品中。同年三星提出将 RGB 和 Z 像素设置在同一芯片上;2012 年索尼提出改进 RGBW 不损害质量提升灵敏度的技术;2015 年松下提出基于 APD 的 CIS 技术,在弱光环境中不需要增加曝光时间可实现高色阶彩色成像,但具有增大摄像头体积的缺点。从 2014 年开始,松下与富士耗时 5 年联合开发了 OPF CIS 技术;2016 高通也提出了一种 OPF 传感器,用 OPF 取代了光电二极管,将感光部分厚度从 3 μm 降到 0.5 μm,留下更多空间给电荷存储。2018 年松下提出基于 OPF 的双敏像素技术,采用两个 FD 连着大小不同的 OPF,分别存储了不同子像素电荷,这样可以构成双曝 HDR,进一步扩大传感器的动态范围。松下还将高速噪声消除技术以及高饱和度技术整合至电路,同时利用传感器的独特敏感度控制功能来改变施加到 OPF 的电压,实现全局快门功能。由于 AI 时代的到来,相对于过去拍摄的需求,需要增加感知功能,这样才能适应 AI 的广泛应用场景。
由于 OPF 传感器具有大动态范围、全局快门、光电转换灵活可控、对近红外光敏感等优点,OPF 传感器将成为下一代 CIS。
4 结语
CIS 技术的全球专利申请分为四个阶段,主要申请人集中在日美韩,其不仅研发时间早,专利申请数量多,还掌握了大部分核心技术。虽然我国对该技术的研究起步晚,但随着国内加大对于半导体人才培养的扶持力度,每年都有大量半导体人才诞生,国内企业在人才获取上的情况正在逐渐好转。
此外,许多企业对 CIS 技术也进行了大量的研究,尽管大多是在原有架构基础上的改进,但取得了不错的技术效果,并且有一部分厂商已经向 CIS 中高端市场迈进。虽然整体看来,我国本土 CIS 与国际巨头相比仍然存在差距,但本土 CIS 厂商可以利用新兴领域市场在中国的发展热潮,加强专利布局,重视核心技术的开发,来抢占未来 CIS 的发展机会。
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原文标题:CMOS 图像传感器 CIS 技术专利分析
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