CN108848327A - 硅基混成cmos-apd图像传感器系统 - Google Patents

硅基混成cmos-apd图像传感器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种硅基混成CMOS‑APD图像传感器系统，包括：APD探测器阵列及CMOS读出电路；所述CMOS读出电路包括像素单元阵列、列级信号处理电路及数字图像处理电路，所述APD探测器阵列工作在线性模式，用于实现光电信号的转换和倍增，所述CMOS读出电路用于完成倍增后信号的积分和读出。本发明所述的CMOS‑APD图像感器系统可在极低照度条件下成像并同时满足大动态范围、高灵敏度、高帧频指标。

Description

硅基混成CMOS-APD图像传感器系统
技术领域
本发明属于一种图像传感器，具体涉及一种硅基混成CMOS-APD图像传感器系统。
背景技术
低照度CMOS成像技术是高灵敏度的微光探测领域的重要技术方向。现有市场上号称能实现低照度成像的CMOS产品，均是采用传统的CIS像素结构，无法实现极低照度下的成像。传统的CIS像素结构由于未能在感光像元上做特殊设计，因此其都是基于帧积累的模式，即加大曝光时间，从而来达到实现夜晚成像的目的。然而帧积累模式必然使帧频在原有基础上降低，无法满足高帧频需求。
APD探测器有两种工作模式：线性工作模式和盖格工作模式。线性工作模式具备测距和和测光强的功能，盖格工作模式具备探测单光子的能力，通常应用于3D测距成像。线性工作模式下采用固定反偏偏置，低于反偏击穿电压，此工作点条件下，虽然APD电流增益较雪崩模式下小，但远大于暗电流增益，可以获得较高的信噪比，适合在低照度条件下的凝视成像应用。
国外有采用标准CMOS工艺开发单片集成的APD-CMOS传感器，该架构方式中感光元和读出电路用同一工艺制程，其中感光像元考虑满阱容量时需要相对大尺寸的存储节点，而读出电路的帧率提供对工艺有小线宽需求，两者之间存在矛盾，因此这种架构方式无法将同时将CMOS图像传感器的灵敏度、动态范围和帧率优化到最佳。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种新型的可在极低照度条件下同时满足大动态范围、高灵敏度、高帧频的CMOS-APD图像感器系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，包括：APD探测器阵列及CMOS读出电路；所述APD探测器阵列工作在线性模式，用于实现光电信号的转换和倍增，所述CMOS读出电路用于完成倍增后信号的积分和读出。所述CMOS读出电路包括像素单元阵列、列级信号处理电路及数字图像处理电路。
其中，所述APD探测器阵列由硅基材料制成，其通过铟柱倒焊互连的方式与CMOS读出电路相连，所述像素单元阵列用于实现APD倍增信号的读出，且在像素内可实现相关双采样，所述列级信号处理电路采用并行AD结构以实现图像信号模式转换，所述数字图像处理电路用于对经过AD转换后的信号进行低噪声图像处理，并通过LVDS通道输出。
其中，所述APD探测器阵列中的每一单元对应与CMOS读出电路的像素单元阵列中的每一单元通过铟柱实现电性连接。
其中，所述APD探测器阵列包括若干像素单元，每一像素单元包括感光区、倍增区、阴阳电极、保护环、截止环和背面响应增强微结构，该像素单元通过阴阳极设置其反偏电压，使其工作在接近雪崩区的工作点；当入射光到达感光区后产生光生电荷，之后进入雪崩区经过倍增效应使光生电荷放大，获得在低光照下成像的光生电荷。
其中，所述列级信号处理电路分别采样复位信号和积分信号，并将两个信号相减，实现相关双采样功能。
其中，所述列级信号处理电路包括第一及第二电容、放大器、第三电容、ADC及第一至第六开关，所述第一开关的一端与像素单元阵列相连，另一端与第二开关的一端相连，还直接通过第一电容与放大器的反相输入端相连，所述第二开关的另一端与参考电压相连，所述放大器的正相输入端与参考电压及第三开关的一端相连，所述第三开关的另一端通过第四开关与放大器的输出端相连，所述第三开关的另一端还通过第二电容与放大器的输出端相连，所述放大器的输出端还直接与第五开关的一端相连，所述第五开关的另一端通过第三电容接地，还直接与第六开关的一端相连，所述第六开关的另一端与ADC的反相输入端相连，所述ADC的正相输入端用于接收斜坡函数信号Vramp，所述ADC的输出端用于与后端的数字图像处理电路相连。
本发明中，所述APD探测器阵列的倍增效应直接放大信号电荷，由于其有效信号的放大倍数远大于噪声的放大倍数，因此较之传统的电压放大，该结构有效提高了信噪比，从而实现了高动态和高灵敏度。同时，混成结构将感光部分和信号读出及处理部分分离开来，通过不同的工艺实现，可分别使感光区和信号读出电路达到最优设计，突破单片式大尺寸的存储节点和读出电路的高帧率对工艺小线宽需求的矛盾限制，从而实现高高帧频条件下的低光照成像。
附图说明
图1是本发明一种硅基混成CMOS-APD图像传感器系统的较佳实施方式的方框图。
图2是图1中APD探测器阵列与像素单元阵列的原理示意图。
图3是图1中APD探测器阵列与像素单元阵列的等效电路原理图。
图4是图1中像素单元阵列的工作时序示意图。
图5是图1中列级信号处理电路的较佳实施方式的电路图。
图6是图5中列级信号处理电路的工作时序示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1所示，其为本发明所述的一种硅基混成CMOS-APD图像传感器系统的较佳实施方式的方框图。所述硅基混成CMOS-APD图像传感器系统的较佳实施方式包括APD探测器阵列及CMOS读出电路，所述CMOS读出电路包括像素单元阵列、列级信号处理电路及数字图像处理电路。所述APD探测器阵列工作在线性模式，用于实现光电信号的转换和倍增。所述CMOS读出电路用于完成倍增后信号的积分和读出。具体的，本实施方式中，所述APD探测器阵列由硅基材料制成，其通过铟柱倒焊互连的方式与CMOS读出电路相连。所述像素单元阵列用于实现APD倍增信号的读出，且在像素内可实现相关双采样。所述列级信号处理电路采用并行AD结构以实现图像信号模式转换。所述数字图像处理电路用于对经过AD转换后的信号进行低噪声图像处理，并通过LVDS通道输出。
本实施方式中，所述APD探测器阵列中的每一单元对应与CMOS读出电路的像素单元阵列中的每一单元通过铟柱实现电性连接。
请继续参考图2所示，其为APD探测器阵列的像素单元的原理示意图。该像素单元包括感光区、倍增区、阴阳电极、保护环、截止环和背面响应增强微结构。该像素单元通过阴阳极设置其反偏电压，使其工作在接近雪崩区的工作点；当入射光到达像素感光区后产生少量光生电荷，之后进入雪崩区经过倍增效应使光生电荷迅速放大，获得足够在低光照下成像的光生电荷。
请继续参考图3所示，其为APD探测器阵列与像素单元阵列的等效电路原理图，图3中“1”代表APD探测器阵列，“2”代表像素单元阵列。工作时，光线照射到APD探测器阵列的芯片感光面时，所述APD探测器阵列的工作点选择在暗电流较小且接近APD探测器的击穿电压VB处，此时有源像素阵列产生相应的光生电荷光信号P个且获得了一定的倍增增益M，从而使输出光生电荷数被放大到P*M个。紧接着，光生电荷被转换成光电流输入到像素单元阵列中，在积分电容CINT1上转换成电压信号信号被读出。工作时，开关IRST_B先为高电平，将整个像素单元阵列进行复位，同时将复位信号采样，复位信号存储在电容CSH1中，然后开关IRST_B被拉低，整个像素单元阵列开始工作，经过设定的积分时间后，开关SH_B打开，将积分结果采样保持在电容CSH2中，以输出给后续的列级信号处理电路。所述像素单元阵列的工作时序如图4所示，其积分时间为IRST_B下降沿到SH_B下降沿。
请继续参考图5所示，其为列级信号处理电路的电路图。所述列级信号处理电路分别采样复位信号和积分信号，并将两个信号相减，实现相关双采样功能。具体的，所述列级信号处理电路包括电容C1、C2、放大器OTA、电容Ch、ADC及六个开关。所述开关S1的一端与像素单元阵列相连，另一端与开关S2的一端相连，还直接通过电容C1与放大器OTA的反相输入端相连。所述开关S2的另一端与参考电压Vref相连。所述放大器OTA的正相输入端与参考电压Vref及开关S1x的一端相连，所述开关S1x的另一端通过开关S3与放大器OTA的输出端相连，所述开关S1x的另一端还通过电容C2与放大器OTA的输出端相连。
所述放大器OTA的输出端还直接与开关S4的一端相连，所述开关S4的另一端通过电容Ch接地，还直接与开关S5的一端相连，所述开关S5的另一端与ADC的反相输入端相连，所述ADC的正相输入端用于接收斜坡函数信号Vramp，所述ADC的输出端用于与后端的数字图像处理电路相连。
所述放大器OTA用于实现信号的放大，便于后续数模转换。所述放大器OTA的增益可表示为C1/C2，其中C1表示电容C1的容值，C2表示电容C2的容值，本实施方式中，所述电容C2为可调电容，通过调节电容C2的值可以调整放大器OTA的增益大小。所述电容Ch用于对放大器OTA的输出进行采样保持。所述ADC采用单斜率ADC结构，其将输入信号与一个设定斜率的斜坡信号Vramp进行比较，开始时所述ADC的输出为低，随后斜坡信号Vramp逐渐增加，当斜坡信号Vramp大于输入信号时，所述ADC的输出为高，后续的数字图像处理电路在ADC的输出为低电平时进行计数，其计数结果就是数模量化的结果。对于阵列化读出电路，所有的列级信号处理电路可以共用一个斜坡信号Vramp，这样可以保证各列电路的一致性，同时降低电路功耗。
所述列级信号处理电路的工作时序如图6所示，可分为以下4个阶段：
阶段1：开关S1、S1x、S3为高，开关S2为低时，所述放大器OTA复位，同时将输入信号采样到电容C1中；
阶段2：开关S1、S1x、S3为低，开关S2为高时，所述放大器OTA处于放大输出模式；
阶段3：在所述放大器OTA处于放大输出过程中，开关S4导通，将放大器OTA的输出电压采样保持到电容Ch中；
阶段4：开关S4关闭、开关S5导通时，所述斜坡信号Vramp开始逐渐上升，所述ADC处于数模转换工作状态。
从图6中可以看到，在ADC进行数模转换时，所述放大器OTA同时开始下一次信号的采样放大。
转换后的数字信号输出到数字图像处理电路，进行降低噪声处理和运动补偿处理；最后经过处理的图像数据通过LVDS输出通道串行输出。
本发明中，所述APD探测器阵列的倍增效应直接放大信号电荷，由于其有效信号的放大倍数远大于噪声的放大倍数，因此较之传统的电压放大，该结构有效提高了信噪比，从而实现了高动态和高灵敏度。同时，混成结构将感光部分和信号读出及处理部分分离开来，通过不同的工艺实现，可分别使感光区和信号读出电路达到最优设计，突破单片式大尺寸的存储节点和读出电路的高帧率对工艺小线宽需求的矛盾限制，从而实现高高帧频条件下的低光照成像。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，包括：APD探测器阵列及CMOS读出电路；所述CMOS读出电路包括像素单元阵列、列级信号处理电路及数字图像处理电路，所述APD探测器阵列工作在线性模式，用于实现光电信号的转换和倍增，所述CMOS读出电路用于完成倍增后信号的积分和读出。
2.如权利要求1所述的硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，其特征在于：所述APD探测器阵列由硅基材料制成，其通过铟柱倒焊互连的方式与CMOS读出电路相连，所述CMOS读出电路的像素单元阵列用于实现APD倍增信号的读出，且在像素内可实现相关双采样，所述列级信号处理电路采用并行AD结构以实现图像信号模式转换，所述数字图像处理电路用于对经过AD转换后的信号进行低噪声图像处理，并通过LVDS通道输出。
3.如权利要求2所述的硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，其特征在于：所述APD探测器阵列中的每一单元对应与CMOS读出电路的像素单元阵列中的每一单元通过铟柱实现电性连接。
4.如权利要求2所述的硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，其特征在于：所述APD探测器阵列包括若干像素单元，每一像素单元包括感光区、倍增区、阴阳电极、保护环、截止环和背面响应增强微结构，该像素单元通过阴阳极设置其反偏电压，使其工作在接近雪崩区的工作点；当入射光到达感光区后产生光生电荷，之后进入雪崩区经过倍增效应使光生电荷放大，获得在低光照下成像的光生电荷。
5.如权利要求1所述的硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，其特征在于：所述列级信号处理电路分别采样复位信号和积分信号，并将两个信号相减，实现相关双采样功能。
6.如权利要求5所述的硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，其特征在于：所述列级信号处理电路包括第一及第二电容、放大器、第三电容、ADC及第一至第六开关，所述第一开关的一端与像素单元阵列相连，另一端与第二开关的一端相连，还直接通过第一电容与放大器的反相输入端相连，所述第二开关的另一端与参考电压相连，所述放大器的正相输入端与参考电压及第三开关的一端相连，所述第三开关的另一端通过第四开关与放大器的输出端相连，所述第三开关的另一端还通过第二电容与放大器的输出端相连，所述放大器的输出端还直接与第五开关的一端相连，所述第五开关的另一端通过第三电容接地，还直接与第六开关的一端相连，所述第六开关的另一端与ADC的反相输入端相连，所述ADC的正相输入端用于接收斜坡函数信号Vramp，所述ADC的输出端用于与后端的数字图像处理电路相连。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110726919A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 中国电子科技集团公司第四十四研究所 阵列apd光电参数测试系统
CN113270435A (zh) * 2021-04-29 2021-08-17 浙江大学 硅基石墨烯光电探测阵列及其cmos三维集成方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4131191B2 (ja) * 2003-04-11 2008-08-13 日本ビクター株式会社 アバランシェ・フォトダイオード
CN102333195A (zh) * 2011-09-23 2012-01-25 东南大学 一种工作于线性模式apd阵列的主、被动成像读出电路
CN104701420A (zh) * 2015-03-19 2015-06-10 中国电子科技集团公司第四十四研究所 硅基紫外增强型光电二极管制作方法
CN105047517A (zh) * 2015-07-08 2015-11-11 武汉旧邦科技有限公司 一种数字光电倍增器件
CN105489626A (zh) * 2015-12-07 2016-04-13 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 一种高帧频电子增益固态成像探测器
CN106356290A (zh) * 2016-10-28 2017-01-25 中国电子科技集团公司第四十四研究所 1064nm硅基雪崩探测器及其制作方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4131191B2 (ja) * 2003-04-11 2008-08-13 日本ビクター株式会社 アバランシェ・フォトダイオード
CN102333195A (zh) * 2011-09-23 2012-01-25 东南大学 一种工作于线性模式apd阵列的主、被动成像读出电路
CN104701420A (zh) * 2015-03-19 2015-06-10 中国电子科技集团公司第四十四研究所 硅基紫外增强型光电二极管制作方法
CN105047517A (zh) * 2015-07-08 2015-11-11 武汉旧邦科技有限公司 一种数字光电倍增器件
CN105489626A (zh) * 2015-12-07 2016-04-13 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 一种高帧频电子增益固态成像探测器
CN106356290A (zh) * 2016-10-28 2017-01-25 中国电子科技集团公司第四十四研究所 1064nm硅基雪崩探测器及其制作方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘昌举,吴治军,祝晓笑,熊平,吕玉冰: "基于４Ｔ结构的高灵敏度ＣＭＯＳ图像传感器设计", 《半导体光电》 *
邓光平,刘昌举,祝晓笑,熊平,吴治军: "一种弱光成像用ＡｌＧａＮ ＡＰＤ阵列的读出电路设计", 《半导体光电》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110726919A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 中国电子科技集团公司第四十四研究所 阵列apd光电参数测试系统
CN110726919B (zh) * 2019-10-25 2021-10-26 中国电子科技集团公司第四十四研究所 阵列apd光电参数测试系统
CN113270435A (zh) * 2021-04-29 2021-08-17 浙江大学 硅基石墨烯光电探测阵列及其cmos三维集成方法

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