CN103259982A - 高敏感度cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像传感器，其包括一个像素阵列，每个像素包括：N个子像素，其在所述图像传感器运行以感应一个场景时产生N个感应信号；分别与所述N个子像素连接的N个读出电路，其从所述N个子像素中读出N个感应信号，其中所述N个读出电路中的每个连接至所述N个子像素中的一个以从其中读出一个感应信号；和积分器，用于合并所述N个子像素的N个感应信号以产生该像素的最后感应信号。这样，在未增加所述图像传感器的面积的情况下，增加了所述像素和所述图像传感器的敏感度。

Description

高敏感度CMOS图像传感器及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及图像传感器(image sensor)和监视领域。尤其是，本发明涉及具有高敏感度（sensitivity）的CMOS传感器，以及利用单个摄像装着监视多个目标的***。
【背景技术】
监视(Surveillance)通常是为了影响、管理、引导或保护的目的对人的行为、活动或其他改变信息进行监视(monitoring)。一般的，监视一词是指通过电子设备（比如CCTV摄像装置）或运动信息（比如各种交通）的侦听在另一个地方观察。
监视对于政府和执法部门维持社会稳定、识别和监视危险、和防止或调查危险是非常有用的。随着在适当位置的精密的监视***的出现，各种代理商现在拥有前所未有的能力去监视他们的目标的活动。
交通摄像装置(camera)是视频监视技术的一个新的、非常有用的用途。他们在交通信号的顶上，并放置于繁忙的道路或高速的繁忙路口处。他们为进一步研究或观察而记录交通模式，或监控交通或为违反交通规则而开具罚单。
通常看到放置多个摄像装置以监视一个路段。在普通高速上通常有八个前行和后行道(forward and backward lanes)，经常需要使用四个或八个摄像装置，每个摄像装置用来监视一个或多个车道。跨越车道的顶上部结构(overheadstructure)除了安装复杂之外，摄像装置和用于控制所述摄像装置的相关支持***的成本也非常的高。
相应的，需要提出一种交通监视***，其可以不需要复杂安装就可以投入使用。进一步的，也需要提出一种监视***，其可以利用单个摄像装置或单个图像传感器监视多个目标。
在视频监视的应用中，使用的图像传感器的特性对于整个监视***是非常重要的。图像传感器是一个能够将场景（Scene）或光学图像转换成电子信号的装置。目前主要有两种类型的图像传感器，分别为电荷耦合装置（charge-coupleddevice，简称CCD）图像传感器和互补金属氧化物半导体（complementarymetal-oxide-semiconductor，简称CMOS）图像传感器。总的来说，由于CMOS图像传感器制造起来较CCD图像传感器成本更低，因此CCD图像传感器较CMOS图像传感器价格更贵。CMOS图像传感器较CCD图像传感器具有更少的元件，使用更少的电能，提供更快的读出速度。这样，CMOS图像传感器逐渐得到更大的关注。另一个普遍的认识是CCD图像传感器较CMOS传感器对光的变化更为敏感。因此，还需要提供一种能提高CMOS图像传感器的敏感度或灵敏度（sensitivity）的技术。
【发明内容】
本章节总结了现有公开的一些方面，并简单的介绍一些优选实施例。本章节的简化或者省略和在摘要或者标题中的说明一样可能会避开隐藏本章节、摘要和标题的目的。这些简化或者省略并非想要限定现有公开的范围。
总体来说，本发明的目的或解决的技术问题之一在于提供一种图像传感器及其制造方法，在未显著增加每个像素的面积的情况下提高了像素的敏感度。
根据本发明的一个方面，一个像素内的多个子像素并未显著增加所述像素的像素面积。这样，在未增加所述图像传感器的面积的情况下，累积各个子像素的读出信息以增加所述像素的敏感度。根据本发明的另一个方面，一个像素内的子像素上分别涂有滤波器(filter)，每个滤波器对应一个频率范围。这样，CMOS图像传感器的频率响应能够得到显著提高。根据本发明的再一个方面，所述摄像装置的图像传感器具有多个感应区域，每个感应区域可以对一个场景的不同部分或区域进行分别曝光，从而可以对该场景的不同部分或区域进行分别监视。
本发明能够以各种形式来实现，包括装置和***。根据本发明的一个实施例，本发明为一种图像传感器，其包括一个像素阵列，每个像素包括：N个子像素，其在所述图像传感器运行以感应一个场景时产生N个感应信号；分别与所述N个子像素连接的N个读出电路，其从所述N个子像素中读出N个感应信号，其中所述N个读出电路中的每个连接至所述N个子像素中的一个以从其中读出一个感应信号；和积分器，用于合并所述N个子像素的N个感应信号以产生该像素的最后感应信号。
在一个优选的实施例中，每个子像素的输出电压与其区域相对独立。
在一个优选的实施例中，所述图像传感器还包括有N个防模糊电路，每个防模糊电路用来确保对应的感应信号在所述积分器中与其他感应信号合并前不超过预定阈值。
在一个优选的实施例中，在不增加所述图像传感器的尺寸的情况下，所述图像传感器或所述像素的敏感度被提高了N倍。每个读出电路采用相关双采样电路以读出所述像素的N个感应信号中的一个。根据CMOS工艺得到所述图像传感器。
根据本发明的另一个实施例，本发明为一种图像传感器，其包括一个像素阵列，每个像素包括：N个子像素，其在所述图像传感器运行以感应一个场景时产生N个感应信号，每个子像素与不同的光学滤波器整合以传播预定频段；分别与所述N个子像素连接的N个读出电路，其从所述N个子像素中读出N个感应信号，其中所述N个读出电路中的每个连接至所述N个子像素中的一个以从其中读出一个感应信号；和，N个独立的积分器，分别输出所述N个感应信号。
在一个优选的实施例中，所述感应信号中的一些就足够重现可视彩色图像，所述传感信号中的另一些用于在低照明条件下检测不可视目标。
在一个优选的实施例中，N为4，其中三个子像素分别涂有红、绿和蓝滤波器，这样来自这三个子像素的感应信号足够去重现所述场景的彩色图像，另一个子像素涂有滤波器以允许该另一个子像素在低照明条件下检测目标。
在一个优选的实施例中，N为4，其中三个子像素分别涂有红、绿和蓝滤波器，这样来自这三个子像素的感应信号足够去重现所述场景的彩色图像，另一个子像素并未涂有滤波器以允许该另一个子像素在晚间产生黑白图像。四个子像素的硅基片是一种高电阻系数疏松材料。
在一个优选的实施例中，在不损失敏感度，不增加所述图像传感器的尺寸的情况下，所述图像传感器能够重现所述场景的彩色图像。
根据本发明的另一个实施例，本发明为一种制造图像传感器的方法，所述方法包括：在一个基片上制造一个像素阵列，每个像素包括：N个子像素，其在所述图像传感器运行以感应一个场景时产生N个感应信号；分别与所述N个子像素连接的N个读出电路，其从所述N个子像素中读出N个感应信号，其中所述N个读出电路中的每个连接至所述N个子像素中的一个以从其中读出一个感应信号；和，积分器，用于合并所述N个子像素的N个感应信号以产生该像素的最后感应信号。
在一个优选的实施例中，根据CMOS工艺在一个基片上制造所述像素阵列。
与现有技术相比，本发明中的图像传感器中的一个像素具有多个子像素，这样，在未增加所述图像传感器的面积的情况下，增加了所述像素和所述图像传感器的敏感度。
本发明的其他目标、优点和优势通过接下来的优选实施例结合附图的具体说明将变得更加明显。
【附图说明】
结合接下来的说明、所附权利要求、参考附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将更容易理解。
图1A示出了图像传感器中单个像素(pixel)的原理框图；
图1B示出了根据本发明的一个实施例的一个相应的像素的一个实施例；
图1C示出了可以用于图1B中的像素的标准3晶体管的示例设计；
图1D示出了采用相关双采样（correlated double sampling，简称CDS）电路的从图1B中的像素中读出感应信号(sensing signal)的示例读出电路；
图2示出了与能够用于图1A的放大器和读出电路协同工作的CMOS像素的示例；
图3示出了用于图1B中的从子像素(subpixels)中读出四个独立的输出电压Vpd的读出电路的电路图；
图4示出了用于图3的读出电路的具有多个输入的CDS电路；
图5示出了用于在合并时防止子像素的感应信号饱和的防模糊结构（anti-blooming structure）的示例；
图6A示出了本发明中使用子像素提高图像传感器的频率响应的另一个实施例；
图6B示出了一个光谱620，该光谱覆盖由通常在白天可见的红、绿和蓝重现的可见光622、通常在晚上或低照明条件下可见的近红外(near-infrared，简称NIR)区域624，其还示出了可以用于近红外区域的两种示例硅材料；
图7A示出了由四个读出电路支持的图像传感器，各个读出电路独立运行，其中所述图像传感器实际上被分成四个感应区域；
图7B示出了在具有四个前行道和四个后行道的快速路段上采用具有图7A所示的图像传感器的摄像装置的示例；和
图7C示出了为分离的感应区域控制不同积分时间(integration time)以监视多个目标。
【具体实施方式】
本发明的具体说明陈述了很多在以下方面：过程、步骤、逻辑模块、流程以及其他直接或间接类似数据流程装置运算的符号表示。所属领域的技术人员使用此处的这些进程说明和表示向所属领域的其他技术人员有效的介绍他们的工作实质。大量具体细节被阐述以此来提供对本发明的透彻理解。然而，对于所属领域的技术人员在没有这些具体细节时也可以很容易地实施本发明。在其他情况下，熟知的方法，过程，组件以及电路图没有被具体描述，以避开本发明的不必要的非重点方面。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指针对实施例所描述的可包含于本发明至少一个实现例中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。本文中的目标可以指区域、主题或对象等。
下面结合参考图1-7C来描述本发明的各个实施例。然而，所属领域内的普通技术人员容易理解的是这里根据这些附图列出的细节描述仅仅是解释性的，本发明并不仅限于这些实施例。
有源像素传感器(active-pixel sensor，简称APS)是一个包括集成电路的图像传感器，该集成电路包括一个像素阵列，每个像素包括一个光电探测器和有源放大器。有多种类型的有源像素传感器，比如CMOS有源像素传感器。这样的图像传感器是由CMOS工艺制造而成的（这里也被称为CMOS传感器），其作为CCD图像传感器的替代品而出现。
图1A示出了图像传感器中单个像素102的原理框图100。当所述图像传感器（此处为像素102）对一个场景曝光(比如快门)时，与入射光(incoming light)强成比例的电荷在所述像素102处累积(accumulated)。图1C示出了用于图1A中的像素102的标准3晶体管的示例设计。图1C中的现有感应读出电路采用由一行(row)或一列(column)像素共享的结构。
如图1A所示，读出电路104用来读出与照射到所述像素102上的光的强度成比例的电荷。图1D示出了采用相关双采样电路（correlated double sampling，简称CDS）的示例读出电路，其从所述像素102中读出感应信号(sensingsignal)。放大器，也被称为电荷积分器（charge integrator）106，用来产生被用来数字化的最后的感应信号。
为了提高所述像素102的敏感度，图1B示出了根据本发明的一个实施例的相应像素112的一个实施例110。所述像素112包括多个子像素(subpixels)。为了示例的目的，图1B中示出了四个子像素。在运行时，所述子像素分别被入射光影响。电荷在每个子像素上累积。加法器型(adder-type)CDS电路114用来将从各个子像素中读出的信息合并在一起。一个放大器，也可以被称为电荷积分器116，用来产生被用来数字化的最后的合并感应信号。
图2示出了与能够用于图1A的放大器204(Unity Gain buffer Amplifier，单位增益缓冲放大器，简称UGA)和读出电路206协同工作的CMOS像素202的示例200。如图2所示，来自光电二极管208的输出电压Vpd约等于Vpd=Q/C，其中Q是指能累积于所述光电二极管208上的电荷，其与入射光成正比，C是指能保持所述电荷的电容。
众所周知，Q=JLxAxTint，C=Cd＊A，其中JL是与入射光(incoming light)的强度相关的电流密度，A是光电二极管208的面积，Cd是耗尽电容(depletioncapacitance)，Tint是光电二极管208的积分时间(或称曝光时间)。这样，来自所述光电二极管208的输出电压可以表示为：
Vpd=Q/C=(JLx A)xTint/(CdxA)=JLxTint/Cd。
可以发现来自所述光电二极管208的输出电压Vpd与所述光电二极管208的面积是基本无关的。相应的，如图1B所设计的多个子像素共同形成所述像素112的输出电压Vpd的总读出信息，图1B的像素202的输出电压基本上是4倍的原始输出电压Vpd。
图3示出了可以用于图1B中的从子像素(subpixels)中读出四个独立输出电压Vpd的读出电路300的电路图。图4示出了具有多个输入的相关双采样电路。假设有n个子像素。相应的，电荷分别存储于n个子像素的n个电容Ch1、Ch2、…、Chn中。总电荷Qt可以表示如下：
在采样模式时：Qt=Q1+Q2+…+Qn
=(V1-Vr)xCh1+(V2-Vr)xCh2+…+(Vn-Vr)xChn
在读出模式时，将所述电荷转换至图4所示的电容Cf，这样：
Qf=(Vr-Vo)x Cf
在一个实施例中，Qf=Qt，所述输出电压Vo表示如下：
Vo=-[(V1-Vr)xCh1+(V2-Vr)xCh2+…+(Vn-Vr)xChn]/Cf+Vr。
假如V1=V2=…=Vn=Vi，并且Ch1=Ch2=…=Chn=Ch，所述输出Vo可以改写为：Vo=-nCh/Cf x(Vi-Vr)+Vr。这样，可以发现具有n个子像素形成的像素的信号的读出增益为-n Ch/Cf，其中n是CDS的输入的数目。
由于具有子像素结构或合并输出，如此实现的图像传感器在低照明条件(lighting condition)下具有增强的敏感度。在高照明条件下，采用额外的措施来防止子像素结构的像素饱和。图5示出了用于在合并时防止子像素的感应信号饱和的防模糊结构(anti-blooming structure)500的示例。比如，在亮照明环境下，所述子像素的感应信号可能过高。当在积分器中合并所述感应信号时，来自所述积分器的最后结果或输出可能饱和，导致无效的信号。
所述防模糊结构500用来确保每个感应信号不会超过预定阈值(比如一个电压电平)。为了防止信号模糊，一个适当的电压Va用来使得Vcds<Vsat/N，其中N是单个像素的子像素的数目，Va为防模糊晶体管门电压，Vcds表示CDS差分（differential）输出，Vcds1=Vcds2=…，=Vcds。
如图6A所示，其示出了本发明中使用子像素提高图像传感器的频率响应的另一个实施例600。根据本发明的一个实施例，每个子像素被涂有滤波器(filter)以覆盖一个频带。为了示例性的目的，图6A示出的像素602包括四个子像素，分别被涂有红、绿、蓝和近红外（near-infrared，简称NIR）滤波器，或红、绿、蓝滤波器，第四个没有滤波器。所述子像素分别被相应数目的读出电路604读出，随后由相应数目的电荷积分器606处理。
传统的CMOS图像传感器通常使用贝尔彩色模式（Bayer color pattern）得到彩色图像/视频，与此不同，由像素600形成的图像传感器能够覆盖四个不同的频带，具有宽频范围的优点，其不仅可以覆盖可视彩色光谱，还可以覆盖一些非可见光谱，使得所述图像传感器在很多检查应用中非常有用（比如，晚上和白天的交通监视）。
图6B示出了一个光谱620，该光谱覆盖由红R、绿G和蓝B重现的通常在白天可见的色彩622、通常在晚上或低照明条件下可见的近红外区域624。在白天照明条件相对亮时，根据所述感应信号恢复出所述色彩。当照明条件较暗时，不再能根据感应信号恢复出所述色彩622，所述近红外区域624可以被看到。这样，具有像素结构600的图像传感器能够轻松的应付变化剧烈的照明条件。
在实现时，所述像素结构600中的第四个子像素可以涂上近红外滤波器，也可以不涂上近红外滤波器。如图6B所示的一个实施例中，硅材料630或632可以用于传播近红外波段的光线，这样不需要为第四个子像素设置滤波器。
如图7A所示，其示出了由四个读出电路支持的图像传感器700，各个读出电路独立运行。在本发明的一个实施例中，所述图像传感器700实际上被分成四个部分（或称感应区域）。通过适当调整的积分时间（比如，根据一部分的整个感应区域的平均感应信号确定），所述图像传感器700中的每个部分可以用来监视不同的目标。图7B示出了在具有四个前行道和四个后行道的快速路段上采用具有图7A所示的图像传感器的摄像装置708的示例。这样，所述图像传感器700的两个部分聚焦于覆盖所有8个车道的两个远区域（far field）710-711，所述图像传感器700另外两个部分聚焦于覆盖所有8个车道的两个近区域（nearfield）712-713。这样，使用一个摄像装置708就可以严密的监视快速路段。另外，这样的摄像装置的安装较现有安装跨越车道的顶上部结构以支持多个摄像装置（比如每个摄像装置监视一个或两个车道）的传统方式更为容易，成本更低。
在运行时，通过适当的积分时间控制的图像传感器700的每个部分均具有利于感应信号读出以进行后续处理的读出电路。图7C重复图7B以展示如何将图像传感器的四个部分设置来监视8个前行道和后行道。在白天时，感应部分P1和P2的积分时间T1和T2被调整的相近，以至于从P1和P2读出的图像聚焦于近的焦点面(focal plane)712和713，感应部分P3和P4的积分时间T3和T4被调整的相近，以至于从P3和P4读出的图像聚焦于远的焦点面710和711。需要知道的是，虽然曝光了所有感应部分P1-P4，来自适当积分的图像或视频将是有用的，这样实现了一个图像传感器监视多个目标(targets)。
假如，T1=T2=tn，T3=T4=tf，且tf>tn。在运行时，当t=tn时，从感应部分P1和P2读出感应信号。虽然也会从感应部分P3和P4读出感应信号，由于其曝光不足，该感应信号将是无用的。当t=tf时，从感应部分P3和P4读出感应信号。虽然也会从感应部分P1和P2读出感应信号，由于其曝光过度，该感应信号将是无用的。同样的，在夜晚，来自前行道的入射光（比如，大部分是车辆牌照的反射光和尾灯灯光）基本上低于来自后行道的入射光（比如，大部分是前灯灯光），积分时间T1-T4将会被调整的不同以确保从对应感光部分P1-P4读取的感应信号对场景中的预定的聚焦或监视区域适度曝光。
根据本发明的一个实施例，图像传感器700的每个像素根据图1B的像素来实现，这样图像传感器700的敏感度将被显著提高，使其更适合照明条件动态变化的监视应用，比如昼夜交通监视。
应当注意的是，所述图像传感器700的实现并不局限与图1B的像素。所属领域内的普通技术人员能够想到的是通过单独的读出电路实质上划分一个图像传感器也可以应用至其他类型的图像传感器。然而，使用图1B所示的子像素结构在不显著增加所述图像传感器700的面积的情况下将可以提高所述图像传感器700的敏感度。
本发明已经在一定程度上被充分详细的描述。本领域技术人员可以理解，目前实施例所揭露的只是示例而已，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的范围定义为其保护范围而不是以上实施例的说明。

Claims (14)

1.一种图像传感器，其包括一个像素阵列，每个像素包括：
N个子像素，其在所述图像传感器运行以感应一个场景时产生N个感应信号；
分别与所述N个子像素连接的N个读出电路，其从所述N个子像素中读出N个感应信号，其中所述N个读出电路中的每个连接至所述N个子像素中的一个以从其中读出一个感应信号；和
积分器，用于合并所述N个子像素的N个感应信号以产生该像素的最后感应信号。
2.根据权利要求1所示的图像传感器，其特征在于，每个子像素的输出电压与其区域相对独立。
3.根据权利要求1所示的图像传感器，其特征在于，其还包括有N个防模糊电路，每个防模糊电路用来确保对应的感应信号在所述积分器中与其他感应信号合并前不超过预定阈值。
4.根据权利要求2所示的图像传感器，其特征在于，在不增加所述图像传感器的尺寸的情况下，所述图像传感器或所述像素的敏感度被提高了N倍。
5.根据权利要求4所示的图像传感器，其特征在于，每个读出电路采用相关双采样电路以读出所述像素的N个感应信号中的一个。
6.根据权利要求4所示的图像传感器，其特征在于，根据CMOS工艺得到所述图像传感器。
7.一种图像传感器，其包括一个像素阵列，每个像素包括：
N个子像素，其在所述图像传感器运行以感应一个场景时产生N个感应信号，每个子像素与不同的光学滤波器整合以传播预定频段；
分别与所述N个子像素连接的N个读出电路，其从所述N个子像素中读出N个感应信号，其中所述N个读出电路中的每个连接至所述N个子像素中的一个以从其中读出一个感应信号；和
N个独立的积分器，分别输出所述N个感应信号。
8.根据权利要求7所示的图像传感器，其特征在于，所述感应信号中的一些就足够重现可视彩色图像，所述传感信号中的另一些用于在低照明条件下检测不可视目标。
9.根据权利要求7所示的图像传感器，其特征在于，N为4，其中三个子像素分别涂有红、绿和蓝滤波器，这样来自这三个子像素的感应信号足够去重现所述场景的彩色图像，另一个子像素涂有滤波器以允许该另一个子像素在低照明条件下检测目标。
10.根据权利要求7所示的图像传感器，其特征在于，N为4，其中三个子像素分别涂有红、绿和蓝滤波器，这样来自这三个子像素的感应信号足够去重现所述场景的彩色图像，另一个子像素并未涂有滤波器以允许该另一个子像素在晚间产生黑白图像。
11.根据权利要求10所示的图像传感器，其特征在于，四个子像素的硅基片是一种高电阻系数疏松材料。
12.根据权利要求7所示的图像传感器，其特征在于，在不损失敏感度，不增加所述图像传感器的尺寸的情况下，所述图像传感器能够重现所述场景的彩色图像。
13.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括：
在一个基片上制造一个像素阵列，每个像素包括：
N个子像素，其在所述图像传感器运行以感应一个场景时产生N个感应信号；
分别与所述N个子像素连接的N个读出电路，其从所述N个子像素中读出N个感应信号，其中所述N个读出电路中的每个连接至所述N个子像素中的一个以从其中读出一个感应信号；和
积分器，用于合并所述N个子像素的N个感应信号以产生该像素的最后感应信号。
14.根据权利要求13所示的方法，其特征在于，根据CMOS工艺在一个基片上制造所述像素阵列。
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