專利名稱：寬動態范圍時間延時積分型cmos圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種提高互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)圖像傳感器動態范圍的方法,特別涉及一種提高時間延時積分(Time Delay Integration, TDI)型CMOS圖像傳感器的動態范圍的方法,具體講, 涉及寬動態范圍時間延時積分型CMOS圖像傳感器。
背景技術：
CMOS圖像傳感器主要由像素陣列、模擬信號讀出、模數轉換與時序控制電路等部分組成。其中，像素陣列是CMOS圖像傳感器的重要組成部分。按照像素陣列中像素單元結構所包含的晶體管數量的不同，可以將其分為3管(3T)結構CMOS圖像傳感器和4管結構 CMOS圖像傳感器等。圖I為4管結構的CMOS圖像傳感器像素單元結構示意圖，每個像素單元都含有傳輸管、復位管、源極跟隨器和行選擇管這4個晶體管，同時還包含一個光電二極管 (photodiode, PD)和一個浮空擴散節點(floating diffusion, FD)。每個像素單元都由電源VDD提供工作電壓，并與時序控制電路和采樣讀出電路相連。4管像素的工作過程為通過控制電路將傳輸管和復位管打開，PD中的電子將被耗盡，同時FD節點也將被復位至高電平；將傳輸管和復位管關斷，PD接受到光照而產生并積累光生電子，這段積累光生電子的時間成為積分時間；在積分時間臨近結束前，將復位管打開一段時間并關斷，此時的FD節點電位將升高，并通過源極跟隨器和行選擇管被讀出，并作為相關雙采樣(correlated double sampling,⑶S)的其中一個信號；將傳輸管打開，此時積分時間結束，PD內產生的電子將轉移到FD節點，并使該節點的電位降低，此電位通過源極跟隨器和行選擇管被讀出，并作為CDS的另一個信號；將CDS得到的兩次信號電位做差，就得到了與光強對應的信號電壓值，該電壓值通過模數轉換器(Analog to digital converter, ADC)轉換為數字量被輸出。這樣就完成了一次像素工作過程。上述過程中，行選擇管僅在信號通過⑶S讀出的時候才打開。對于整個像素陣列，行選擇管是以行為單位按照順序依次打開的，相應的信號電壓值也是按照上述順序被依次讀出和數字化，并最后經過處理形成一整幅圖像。對于普通面陣CMOS圖像傳感器，可以認為在一幀圖像的采集過程中，圖像傳感器與被攝物體無相對運動。對于時間延時積分型圖像傳感器，其與被攝物體保持勻速運動，可以對同一目標進行多次曝光，實現較高的信噪比。其具體的工作過程比較復雜，圖2給出了 4級TDI工作過程的簡要示意圖。A、B、C和D代表4個抽象的被測物體，被測物體的運動方向與像素的列方向平行。以I列4行的像素陣列說明TDI的工作過程
在T時刻，第I行像素采集到物體A，并將信號讀出量化放在累加器I中；在2T時刻，第I行像素采集到物體B，并將信號讀出量化放在累加器2中，第2行像素采集到物體A，并將信號讀出量化放在累加器I中；在3T時刻，第I行像素采集到物體C，并將信號讀出量化放在累加器3中，第2行像素采集到物體B，并將信號讀出量化放在累加器2中，第3行像素采集到物體A，并將信號讀出量化放在累加器I中；在4T時刻，第I行像素采集到物體D，并將信號讀出量化放在累加器4中，第2行像素采集到物體C，并將信號讀出量化放在累加器3中，第3行像素采集到物體B，并將信號讀出量化放在累加器2中，第4行像素采集到物體A，并將信號讀出量化放在累加器I中，累加器I完成對物體A的輸出信號的累加過程，將累加結果輸出。累加器I被清空，準備下一次的累加過程。如上述TDI型CMOS圖像傳感器的簡要工作過程可以看到，每個物體都將被曝光4 次，每次曝光產生的信號也將被累加，通過求和產生最終的輸出信號。動態范圍(Dynamic Range, DR)是衡量CMOS圖像傳感器性能的指標之一,它由傳感器能夠探測的最大光強信號與最小光強信號的比值來進行評價。傳感器能夠探測的最小光強信號通常受暗電流水平和噪聲水平限制，因此擴大動態范圍主要從提高最大可探測光強水平來考慮。由上述4管結構的圖像傳感器工作原理可知，光生電荷在光電二極管ro中產生， 通過傳輸管進入浮空擴散節點FD，并完成電荷到電壓的轉換。上述過程可以看作是將ro中產生的電量為Q的光電荷注入到電容為C的FD節點，并在FD產生Q/C的電壓變化。而由于電路結構的限制，FD節點的電壓不會隨著Q的增加而無限制的變化，最終FD的電壓會在某一值達到飽和，相應的經過相關雙采樣之后的信號也會存在一個飽和值。對于同一像素， H)產生光生電荷Q是與探測光強近似成正比關系。所以可以認為，在達到飽和前，光強與輸出信號存在正比關系；達到飽和后，輸出信號將保持一個定值。圖3示出了積分時間相同的兩種具有不同斜率的光強-輸出信號的曲線，圖中同時標示出了暗電流和噪聲的影響。由圖3可知，降低光強與輸出信號曲線的斜率可以提高動態范圍，此時信號電壓隨光強變化變慢，達到飽和時對應的光強值變大。此時，低光強下的輸出信號將有很大一部分會被暗電流和噪聲覆蓋，使得低光強下的分辨率很低。如果將圖3中曲線的斜率提高，低光強下的輸出信號將較快的突破暗電流和噪聲的限制，使得低光強下靈敏度和分辨率得到提高。但此時的輸出信號會較早的達到飽和，限制了傳感器的動態范圍。

發明內容
本發明旨在解決克服現有技術的不足，提供一種提高時間延時積分型CMOS圖像傳感器動態范圍的方法，能夠同時滿足對低光強條件和高光強條件下的成像要求，達到提高傳感器動態范圍的目的。寬動態范圍時間延時積分型CMOS圖像傳感器，傳感器具有一種寬動態范圍時間延時積分型CMOS圖像傳感器，由像素陣列、模擬信號讀出、模數轉換與時序控制電路組成， 像素陣列具有多種類型的像素單元，同一行像素具有相同類型結構的像素單元，即不同類型的像素單元只可能出現在不同的行之間。
具有某類相同類型像素單元的多行像素，在像素陣列中是相鄰排列的；或者具有某類相同類型像素單元的多行像素，在像素陣列中是被具有一行或多行另一類型像素所分隔開排列的。像素陣列具有不同類型的像素單元，表現在像素的感光區面積不同；或者像素陣列具有不同的像素結構，表現在像素的浮空擴散節點電容不同；或者像素陣列具有不同的感光區面積和不同的浮空擴散節點電容。像素陣列是采用16行128列的像素陣列，像素陣列由3種類型的像素單元構成， 且按如下方式排列I至6行采用第I種類型的像素單元，7至12行采用第2種類型的像素單元，13至16行采用第3種類型的像素單元；這3種類型的像素單元除了具有不同的FD節點電容值之外，其它結構相同；上述3種類型像素單元的FD節點電容的比值為I : 4 : 16， 即像素陣列I至6行的FD節點電容如果為C，那么7至12行像素的FD節點電容為4C，13 至16行像素的FD節點電容為16C。本發明的技術特點及效果本發明所涉及的提高TDI型CMOS圖像傳感器動態范圍的方法，充分利用了 TDI的工作方式，沒有引入復雜的控制電路，僅對像素結構做了差異化處理，實現簡單。


圖I :4管結構CMOS圖像傳感器像素單元結構示意圖。圖2 :TDI型圖像傳感器工作原理示意圖。圖3 :兩種具有不同斜率的光強與輸出信號關系的曲線。圖4 :經過融合后的光強與輸出信號關系曲線。圖5(a):不同H)感光面積對應的光強與光生電荷曲線，以及不同FD節點電容對應的光生電荷與輸出電壓曲線。圖5(b):圖5(a)中不同曲線相組合，得到的光強與FD輸出電壓的曲線。圖6 :減小H)感光面積的方法示意圖。圖7 :像素陣列中不同類型像素單元排列示意圖
具體實施例方式本發明涉及的CMOS圖像傳感器是工作在TDI模式下的，要求傳感器與被攝物體具有相對運動，運動的方向與像素陣列的列方向平行。傳感器具有多種類型的像素單元，且同一行像素具有相同類型的結構，即不同類型的像素單元只可能出現在不同的行之間。具有不同類型的像素單元，可以在像素陣列中成塊的排列，即具有相同類型的像素單元在像素陣列中位于同一區域；可以在像素陣列中分散排列，即具有相同類型的像素單元在像素陣列中隔行排列；也可以是上述兩種排列方式混合使用。具有某類相同類型像素單元的多行像素，在像素陣列中是相鄰排列的；或者具有某類相同類型像素單元的多行像素，在像素陣列中是被具有一行或多行另一類型像素所分隔開而分散排列的；或者具有某類相同類型像素單元的多行像素，有一部分在像素陣列中是相鄰排列的，另外一部分在像素陣列中是被具有一行或多行另一類型像素所分隔開而分散排列的。例如，對于具有有兩種像素結構的12行的像素陣列，如果這兩種像素結構分別占有6行像素，那么它們的排列可能為1至6行為第一種像素結構，7至12行為第二種像素結構；或者奇數行為第一種像素結構，偶數行為第二種像素結構；或者第1、2、3、5、9、10、 12行為第一種像素結構，其余行為第二種像素結構；或者權利要求書中包含的其它排列形式。傳感器具有不同類型的像素單元，表現在像素的感光區面積不同；或者傳感器具有不同的像素結構，表現在像素的浮空擴散節點電容不同；或者傳感器具有不同的感光區面積和不同的浮空擴散節點電容。例如，兩種不同類型的像素，可以是感光區面積之比為I ; 2;或者兩種不同類型的像素，可以是浮空擴散節點電容之比為2 I;或者是兩種不同類型的像素，可以是感光區面積之比為I : 2，同時浮空擴散節點電容之比為2 I。本發明中涉及的不同類型的像素結構是為了獲得不同的光強與輸出電壓的關系曲線，該曲線的斜率受光生電荷的產生量和FD節點電容共同影響。增大ro感光面積，則在相同積分時間內產生的光生電荷數目增大；減小FD電容，則在接受相同電荷量的情況下， FD節點電壓變化率增大。因此，增大ro感光面積、減小FD電容或者兩種方法同時使用，都可以提高曲線的斜率。相反地，減小H)感光面積、增大FD電容或者兩者同時使用，都可以降低曲線的斜率。ro感光面積與FD節點電容的恰當選取，可以組合出不同的光強與電壓輸出的曲線，如圖5所示。需要指出的是，為了使得ro具有相對較大的電荷存儲能力，以保證ro飽和時存儲的電子可以使FD節點發生飽和，PD感光面積的改變，是通過改變ro上方金屬層的遮擋面積實現的，而不是通過減小ro的尺寸實現。圖6表示出了減小ro感光面積的方法。上述不同類型的像素結構，可以是感光器件的面積不同，或者是浮空擴散節點的電容不同，或者是兩者都不同。所述的感光器件為光電二極管H)。浮空擴散節點電容包括傳輸管與復位管交疊的N型擴散區的結電容，以及與之相連的源極跟隨器柵端的柵電容， 改變這兩個組成電容都可以看作是改變了 FD節點的電容。通過合理的設計，這些不同類型的像素結構，有些具有較高的靈敏度，適于對物體較暗部位的成像；有些具有較低的靈敏度,適于對物體較亮部位的成像。傳感器以TDI模式工作時，對相同物體進行曝光的不同行像素的輸出電壓信號， 在經過模數轉換后進行累加。由于像素陣列具有不同類型的像素單元，并且在相同積分時間內，這些不同的像素單元具有不同的光強與輸出電壓的關系曲線，因此各行的輸出經過累加之后，其光強與輸出電壓的關系曲線將得到優化，可以同時滿足對低光強條件和高光強條件下的成像要求，達到提高傳感器動態范圍的目的。為使本發明的目的、技術方案和優點更見清楚，下面將對本發明實施方式進一步地詳細描述。本實例采用16行128列的像素陣列，如圖7所示。像素陣列由3種類型的像素單元構成，且按如下方式排列1至6行采用第I種類型的像素單元，7至12行采用第2種類型的像素單元，13至16行采用第3種類型的像素單元。這3種類型的像素單元除了具有不同的FD節點電容值之外，其它結構相同。上述3種類型像素單元的FD節點電容的比值為I : 4 : 16，即像素陣列I至6行的FD節點電容如果為C，那么7至12行像素的FD節點電容為4C，13至16行像素的FD節點電容為16C。由于上述像素陣列的3種類型的像素單元具有不同的FD節點電容值，因此它們
6的靈敏度也會產生相應的差異，I至6行像素具有較高的靈敏度，適于對物體較暗部位的成像，13至16行像素具有較低的靈敏度，適于對物體較亮部位的成像，7至12行像素具有適中的靈敏度，適于對物體中等亮度的部位成像。在TDI工作方式下，物體的任一部位，都會受到像素陣列的每一行像素的重復成像，將這些重復成像的所有行的數字化輸出信號進行累加，就完成了對物體該部位的成像。需要說明的是I.本實例采用16行128列的像素結構，如采用其它行數和列數的像素陣列結構， 并不影響本發明實施例的實現。2.本實例中像素陣列中采用3種不同類型的像素單元結構，也可以采用2種或3 種以上的不同類型的像素單元結構也是可行的，并不影響本發明實施例的實現。3.本實例中不同類型的像素單元的行數之比為3 3 2，實際應用中可以根據圖像傳感器的應用場合，對具有不同靈敏度的像素單元的數量配比進一步優化，這并不影響本發明實施例的實現。4.本實例中不同類型的像素單元按照成塊排列，即具有同一類型的像素單元位于像素陣列的同一區域，也可以采用不同類型像素單元隔行排列的形式，并不影響本發明實施例的實現。
權利要求
1.一種寬動態范圍時間延時積分型CMOS圖像傳感器，由像素陣列、模擬信號讀出、模數轉換與時序控制電路組成，其特征是，像素陣列具有多種類型的像素單元，同一行像素具有相同類型結構的像素單元，即不同類型的像素單元只可能出現在不同的行之間。
2.如權利要求I所述的傳感器，其特征是，具有某類相同類型像素單元的多行像素，在像素陣列中是相鄰排列的；或者具有某類相同類型像素單元的多行像素，在像素陣列中是被具有一行或多行另一類型像素所分隔開排列的。
3.如權利要求2所述的傳感器，其特征是，像素陣列具有不同類型的像素單元，表現在像素的感光區面積不同；或者像素陣列具有不同的像素結構，表現在像素的浮空擴散節點電容不同；或者像素陣列具有不同的感光區面積和不同的浮空擴散節點電容。
4.如權利要求I所述的傳感器，其特征是，像素陣列是采用16行128列的像素陣列，像素陣列由3種類型的像素單元構成，且按如下方式排列1至6行采用第I種類型的像素單元，7至12行采用第2種類型的像素單元，13至16行采用第3種類型的像素單元；這3種類型的像素單元除了具有不同的FD節點電容值之外，其它結構相同；上述3種類型像素單元的FD節點電容的比值為I : 4 16，即像素陣列I至6行的FD節點電容如果為C，那么 7至12行像素的FD節點電容為4C，13至16行像素的FD節點電容為16C。
全文摘要
本發明涉及一種提高互補金屬氧化物半導體圖像傳感器。為提供一種提高時間延時積分型CMOS圖像傳感器動態范圍的方法，能夠同時滿足對低光強條件和高光強條件下的成像要求，達到提高傳感器動態范圍的目的。本發明采取的技術方案是，寬動態范圍時間延時積分型CMOS圖像傳感器，由像素陣列、模擬信號讀出、模數轉換與時序控制電路組成，其特征是，像素陣列具有多種類型的像素單元，同一行像素具有相同類型結構的像素單元，即不同類型的像素單元只可能出現在不同的行之間。本發明主要應用于半導體圖像傳感器的設計制造。
文檔編號H04N5/353GK102595065SQ20121006393
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者姚素英, 孫羽, 徐江濤, 徐超, 高志遠, 高靜 申請人:天津大學