在“2015年超大集成電路研討會”(SymposiumonVLSICircuits)的“ImageSensors”分會上,CMOS圖像傳感器需要具備的各種技術開發成果和研究成果紛紛亮相,包括低噪聲、低耗電、高動態范圍、高速讀取等。此次這方面共發表了5篇論文演講,其中三篇來自日本,從中可以感受到支撐采用圖像傳感器的影像傳感市場的日本的基礎技術實力。
第一篇是北海道大學和慶應大學的論文,介紹了利用片上線圈之間的電場耦合來實現高速低噪傳輸的圖像傳感器。慶應大學在2014年的VLSI研討會上發表了采用磁場耦合通信的DRAM和SoC的高速接口技術,此次是首次公開配備TDC型ColumnAD的圖像傳感器的通信實驗結果,介紹了In-plane(積層)方式及on-stack(像素正下方)方式的磁場噪聲的影響。
第二篇論文演講來自臺積電(TSMC),內容是可降低噪聲的積層圖像傳感器。為了防止多采樣方式下幀頻降低,在傳感器內安裝了檢測電路,該公司已證實,如果只在低照度時選擇1/4振幅的蘭姆波形,就能同時實現低噪聲和高速度。這一方案與索尼在ISSCC2015上發布的積層構造傳感器完全不同。雖然降噪效果只有索尼傳感器的80%(采樣次數M=2時),但在電路規模上具有優勢。而且,還通過增加采樣次數,使讀取噪聲降至0.66erms。
適合可穿戴用途的自發電型圖像傳感器
第3篇演講論文來自臺灣清華大學,內容是兼顧能量采集和高動態范圍的0.4V驅動PWM型圖像傳感器。生物醫藥、可穿戴等市場對超低功耗圖像傳感器的需求很大,自發電型圖像傳感器還非常適合IoT用途。
演講中,臺灣清華大學介紹了通過圖像傳感器全面發電、在10萬lx的限定條件下反復進行發電和攝像時的工作情況。作為一種實現HDR(highdynamicrange,高動態范圍)的方法,通過采用基于幀的Dual曝光動作方式,達到了140dB的動態范圍。演講結束后,聽眾針對0.4V電路運行穩定性及發電效果等實際運行情況積極提問,氣氛十分活躍。
第4篇演講論文來自日本東北大學,內容是低噪聲HDR圖像傳感器。該論文不僅提出了即可實現側向溢漏機構有能時間FD容量最小化的元器件方案,還通過配備增益放大器電路,使讀取噪聲降至0.5erms。飽和信號量為76ke,動態范圍高達104dB。該校還在幾乎同一時間在荷蘭舉行的“IISW(InternationalImagesensorworkshop)”上介紹了相關技術,讓人預感到,將來會通過能減少FD容量的高轉換效率技術實現光子計數。
第5場演講來自奧林巴斯,內容是使用微焊點(Microbump)接合方式來實現超高速讀取和GS(GlobalShutter,全局快門)讀取的積層型圖像傳感器(演講序號:C4-5)。除了縮小焊點間距及增加焊點數量等元件技術的進步之外,該公司還介紹了10kfps的高速捕獲動作。全局快門動作存在保持信號時會漏進光線的問題,但該公司通過配備于下芯片的電容電荷保持結構,使PLS(ParasiticLightSensitivity,寄生感光度)達到了超過其他元器件技術的-180dB。除了去掉機械部件的袖珍相機,奧林巴斯還提出了其他應用方案,讓人感受到了該公司在圖像傳感器開發方面的自信。
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