本文主要介绍最先进的CMOS图像传感器技术以及未来的发展。
图像传感器的定义和用途
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异
• “模拟”CCD执行光子到电子的转换。
• “数字”CMOS图像传感器（CIS）执行光子到电压的转换
图像传感器用于数码相机和成像设备，将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。
CIS vs. CCD
今天，有两种不同的技术用于数字图像采集（图1）：
• 电荷耦合器件（CCD）是线性传感器，其输出与接收到的光子数量直接相关。
• 互补金属氧化物半导体（CMOS，或CMOS图像传感器CIS）是一种较新的并行读出技术。
这两种类型的成像设备都将光转化为电子（或电荷），随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动，直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的CIS技术提供了一个并行读出架构，其中每个像素都可以单独寻址，或者作为一个组并行地读出（参见图1）。
CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的价格下降，数码相机已经变得非常便宜和普及。
在表1中，我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点，在不同的应用中各显其能（用绿色表示）。
表1：CCD与CMOS架构比较（来源：e2V）
图2：CIS中的关键组件（来源：IBM，FSI）
图3::：FSI vs. BSI
BSI技术涉及到将图像传感器倒置，并将彩色滤光片和微透镜应用于像素的背面，以便传感器可以通过背面收集光线。 BSI具有深光电二极管和短光路，从而具有更高的量子效率（1）（QE）和较低的串扰（2）（见图4）。
图4：串扰
（1）QE =转换成为电子的光子的百分比
（2）电子串扰=相邻像素之间的电荷（电子或空穴，取决于像素类型）的扩散。它由于底层的电子机制（扩散和漂移）而在硅材料中发生
BSI流程
使用BSI架构制作CMOS图像传感器需要许多工艺步骤。两种不同的BSI工艺流程Si-Bulk（图5）和SOI（图6）如下所示：
图5：BSI Si-Bulk简化流程
图6：BSI SOI工艺流程（来源：Yole）
CIS的全局快门（GS）与滚动快门（RS）
“滚动快门”（RS）是一个技术术语，指的是图像传感器扫描图像的方式。如果传感器采用RS，则表示从传感器的一侧（通常是顶部）到另一侧依次逐行扫描图像。通常，CMOS图像传感器在RS模式下工作，其中曝光和快门操作逐行（或逐列）执行。
“全局快门”（GS）也是一个技术术语，指的是可以同时扫描图像的整个区域的传感器。在GS传感器中，使用所有像素同时捕获图像。GS架构包括一个存储器结构和附加的MOS晶体管，以提供额外的功能。今天，大多数CIS成像器采用GS模式来避免失真和伪像，如寄生光敏感度（见图7）。使用GS功能的CMOS图像传感器用于各种领域，包括广播、汽车、无人机和监控应用。
图7：滚动（左）与全局（右）快门模式
索尼在2012年推出了全球首款用于消费电子产品的堆叠芯片CIS相机系统，2013年初，平板电脑中使用了8 MP ISX014堆叠芯片。第一代芯片采用了上一代TSV，将索尼制造的90nm CIS裸片的pad与65nm ISP的pad连接起来（来源：Chipworks）。
索尼的13 MP IMX214第二代堆叠CIS芯片的制造类似于其90/65 nm（CIS / ISP）技术，并于2014年用于iPhone6 / 6s中。
最近（2017年2月），索尼公布了3层CIS器件，包括顶层BSI传感器或CIS光电二极管，中层DRAM单元阵列和底层逻辑作为ISP（图8）。它是具有1um x 1um像素尺寸的23MP图像传感器，使用新的混合键合结构（常规结构类似于TSV）。
索尼还在2017年5月发布了其首款三层960 fps相机，并配备了三明治式堆叠的DRAM。
图8：索尼3层堆叠CIS器件（来源：ISSCC 2017＆TechInsights）
表2：堆叠CIS的历史（来自www.3DIC.org）
现在和未来的CIS技术/市场/玩家
未来CIS技术采用的路线图受到三个限制或驱动因素的推动：
1尺寸（3维，相机模组的X，Y和Z）
2图像质量（分辨率，低光性能，对焦（AF）和稳定性（OIS））
3功能（慢动作影像，图像分析，运动控制）
BSI，3D堆叠BSI，3D混合以及3D顺序集成都是影响未来CIS技术应用的关键技术。
多年来，CIS市场的竞争格局已经发生了很大的变化。索尼是市场、生产、技术的领导者。Omnivision和三星一直保持强劲，Galaxycore和Pixelplus这样的新玩家也在崛起。同时，集成器件制造（IDM）模型一直是佳能和尼康的强大动力来源，它们都经受住了数码相机的缓慢发展。至于松下，它已经与Tower Jazz成立了一家合资公司，以协助其在高端成像应用领域的探索。
今天，CIS行业是由手机和汽车应用推动的。智能手机摄像头的创新将会继续，尽管这个大批量应用的竞争非常激烈。为了保持竞争力，CIS制造商正被迫将越来越多的功能整合到移动摄像机中（见图9）。
图9：移动摄像机功能的转型（来源：Yole）
智能手机的应用正处于CIS市场份额的领先地位，但许多其他应用将成为CIS未来增长的一部分。许多IDM和无晶圆厂公司正在为新兴的更高利润率的成像应用开发芯片，如汽车、安全、医疗和其他领域。这些应用中出现了巨大的机会，推动了新兴供应商和现有供应商的市场和技术工作。这些新兴的机遇正在将移动成像技术推向其他增长领域，我们可能会看到从视觉成像到视觉感知以及其他交互式应用的转变。
