TWI781599B - 具有事件驅動感測之混合互補式金氧半導體影像感測器 - Google Patents

具有事件驅動感測之混合互補式金氧半導體影像感測器 Download PDF

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Abstract

一種影像感測器包含一源極隨耦器，該源極隨耦器耦合至一光電二極體以回應於光生電荷產生一影像信號。由影像讀出電路系統透過一列選擇電晶體接收該影像信號。一重設電晶體重設該光生電荷。模式選擇電路之一第一節點經耦合至該重設電晶體，一第二節點經耦合至一像素供應電壓，且一第三節點經耦合至一事件驅動電路。該模式選擇電路在一成像模式期間將該第一節點耦合至該第二節點以將該像素供應電壓供應至該重設電晶體。該模式選擇電路進一步經組態以在一事件驅動模式期間將該第一節點耦合至該第三節點以耦合該光電二極體之一光電流以透過該重設電晶體驅動該事件驅動電路以偵測該光電流中之變化。

Description

具有事件驅動感測之混合互補式金氧半導體影像感測器
本發明大體上係關於影像感測器，且特定言之(但非排他地)係關於具有事件感測電路系統之影像感測器。
影像感測器已變得無處不在且現在廣泛使用於數位相機、蜂巢式電話、監控攝影機中，亦廣泛使用於醫學、汽車及其他應用中。隨著影像感測器經整合至更寬範圍之電子裝置中，期望透過裝置架構設計以及影像擷取處理兩者以儘可能多的方式(例如解析度、功耗、動態範圍等)增強其等之功能性、效能度量、及類似者。
一典型影像感測器回應於來自一外部場景之入射在影像感測器上之影像光而進行操作。影像感測器包含具有吸收入射影像光之一部分且在吸收影像光後產生影像電荷之光敏元件(例如光電二極體)之一像素陣列。由像素光生之影像電荷可經量測為行位元線上之依據入射影像光而變化之類比輸出影像信號。換言之，產生之影像電荷量與影像光之強度成比例，該影像電荷量經讀出為來自行位元線之類比信號且經轉換成數位值以產生表示外部場景之數位影像(即影像資料)。
本文中描述係關於包含一正常影像感測模式及一非同步事件驅動模式之一混合成像系統之各個實例。在以下描述中，闡述諸多特定細節以提供對實例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者應認識到，可在沒有特定細節之一或多者之情況下或運用其他方法、組件、材料等等而實踐本文描述之技術。在其他例項中，未詳細展示或描述熟知結構、材料或操作以便避免使某些態樣模糊。
貫穿本說明書對「一個實例」或「一個實施例」之參考意謂結合實例描述之一特定特徵、結構或特性被包含於本發明之至少一個實例中。因此，貫穿本說明書在多個地方出現片語「在一個實例中」或「在一個實施例中」並不一定皆指代同一實例。此外，在一或多個實例中，特定特徵、結構或特性可依任何合適方式組合。
為便於描述，空間相對術語(諸如「下面」、「下方」、「下」、「底下」、「上方」、「上」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「中心」、「中間」及類似者)可在本文中用於描述一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係，如圖中繪示。應理解，空間相對術語旨在涵蓋裝置在使用或操作中除圖中所描繪之定向之外之不同定向。例如，若圖中之裝置旋轉或翻轉，則被描述為在其他元件或特徵「下方」或「下面」或「底下」之元件將定向成在其他元件或特徵「上方」。因此，例示性術語「下面」或「底下」可涵蓋上方及下面之定向兩者。裝置可以其他方式定向(旋轉九十度或處於其他定向)，且本文使用之空間相對描述詞可據此解譯。另外，亦將理解，當一層被稱為在兩個層「之間」時，其可為兩個層之間的唯一層，或亦可存在一或多個中介層。
貫穿本說明書，使用若干技術術語。此等術語將採用其等所來自之技術中之其等之普通含義，除非本文具體定義或其等使用之背景內容將另外明確暗示。應注意，貫穿此文件可互換地使用元件名稱及符號(例如，Si對矽)；然而，兩者具有相同意義。
如將論述，揭示堆疊CIS系統之各個實例，其中包含具有一正常影像感測模式及一非同步事件驅動模式之一混合成像系統。正常影像感測器提供大影像及視訊能力。然而，正常影像感測器之一個限制係正常影像感測器不提供在諸如機器視覺、遊戲、及人工智慧感測領域之各種應用中可能有用之超高圖框速率及超高速度擷取能力。試圖向典型影像感測器提供此等超高圖框速率及超高速度能力已導致折衷之解決方案，其等提供相較於其等之正常影像感測器對應物之不良品質影像擷取。
在本文中揭示之各個實例中，提供一種混合成像系統，其中一影像感測器包含提供大影像及視訊能力之一正常影像感測模式與為各種各樣之事件驅動應用提供超高圖框速率及超高速度能力之一非同步事件驅動模式之一組合。
為了繪示，圖1繪示根據本發明之教示之堆疊互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器(CIS)系統100之一個實例。如所描繪之實例中展示，堆疊CIS系統100包含在一堆疊晶片方案中堆疊且耦合在一起之一第一晶粒102、一第二晶粒104及一第三晶粒106。在實例中，亦可稱為堆疊CIS 100之頂部晶粒102之第一晶粒102包含一像素陣列108。亦可稱為堆疊CIS 100之底部晶粒106之第三晶粒106包含影像讀出混合信號電路系統116，該影像讀出混合信號電路系統116透過用於正常影像讀出110之行級連接耦合至頂部晶粒102之像素陣列108。在一個實例中，用於正常影像讀出110之行級連接可使用頂部晶粒102與底部晶粒106之間的經佈線穿過第二晶粒104之穿矽通孔(TSV)實施。
在一個實例中，像素陣列108係包含複數個像素單元之二維(2D)陣列，該複數個像素單元包含曝露於入射光之光電二極體。如在所描繪之實例中繪示，像素電路單元經配置成列及行以擷取一人、位置、物件等之影像資料，接著，該影像資料可用於呈現一人、位置、物件等之一影像。在實例中，各像素電路單元經組態以回應於入射光光生影像電荷。在各像素單元已擷取其影像電荷之後，對應類比影像電荷資料由底部晶粒106中之讀出電路系統116透過行位元線讀出，該等行位元線可使用包含於用於正常影像讀出110之行級連接中之TSV實施。在各個實例中，來自各列像素陣列108之影像電荷可由影像讀出電路系統116透過行位元線並行讀出。
在各個實例中，底部晶粒106中之影像讀出電路系統116包含用於正常影像讀出及處理之放大器、類比轉數位轉換器(ADC)電路系統、相關聯類比支援電路系統、相關聯數位支援電路系統等。在一些實例中，影像讀出電路系統116亦可包含事件驅動讀出電路系統，其將在下文更詳細地描述。在操作中，光生類比影像電荷信號自像素陣列108之像素單元讀出、在影像讀出電路系統116中經放大且轉換成數位值。在一些實例中，影像讀出電路系統116可一次讀出一列影像資料。在其他實例中，影像讀出電路系統116可使用諸如一串列讀出或同時全並行讀出所有像素之各種其他技術(未繪示)來讀出該影像資料。該影像資料可經儲存或甚至藉由應用影像後效應(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)操縱。
在所描繪之實例中，亦可稱為堆疊CIS 100之中間晶粒104之第二晶粒104包含經耦合至頂部晶粒102中之像素陣列108之一事件驅動感測陣列112。在各個實例中，事件驅動感測陣列112透過頂部晶粒102與中間晶粒104之間的混合接合耦合至像素陣列108之像素單元。在一個實例中，事件驅動感測陣列112包含一事件感測單元陣列。如將論述，在一個實例中，事件驅動感測陣列112中之事件感測單元之各者透過頂部晶粒102與中間晶粒104之間的混合接合耦合至像素陣列108中之一NxN分組之像素單元之像素單元以根據本發明之教示非同步地偵測入射在像素陣列108上之光中發生之事件。在各個實例中，對應事件偵測信號由事件驅動感測陣列112中之事件感測單元產生。事件偵測信號可經耦合以由事件驅動周邊電路系統114接收及處理，在一個實例中，該事件驅動周邊電路系統114圍繞事件驅動感測陣列112之周邊配置於中間晶粒104中，如圖1中展示。所描繪之實例亦繪示經佈線穿過頂部晶粒102與底部晶粒106之間的中間晶粒104之用於正常影像讀出110之行級連接。
圖2繪示具有根據本發明之教示選擇之一正常成像模式及根據本發明之教示取消選擇之一事件驅動模式之堆疊CIS系統200之一個實例示意圖。應瞭解，圖2之堆疊CIS系統200可為如圖1中所展示之堆疊CIS系統100之一個實例，且上文描述之類似地命名且編號之元件在下文類似地耦合及起作用。
在圖2中描繪之實例中，繪示包含於頂部晶粒202中之一PxQ單元及/或像素陣列之一NxN分組之像素單元。因而，所繪示之實例展示像素單元208＜1＞、208＜2＞、…208＜N2 ＞。在一個實例中，N=4。應瞭解，在其他實例中，N可等於不同數目。在其中N=4之實例中，NxN單元因此包含42 或16個像素單元。因此，針對64百萬像素(MP)陣列，所描繪之像素陣列包含圖2中繪示之實例4x4x(2x2)單元之1 MP。
如圖2中描繪之實例中展示，各像素單元208係包含經組態以回應於入射光262光生電荷之光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4之一共用像素設計。因此，在一個實例中，四個光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4可在一像素陣列中配置為一2x2配置之光電二極體。在其他實例中，應瞭解，可包含不同數目個光電二極體，其等可具有諸如(例如)作為一3x3配置之光電二極體、一2x4配置之光電二極體、PxQ配置之光電二極體等之其他配置。在其他實例中，亦應瞭解，亦可利用包含一個光電二極體之非共用像素設計，諸如下文將在圖3中繪示之實例。在圖2中繪示之實例中，轉移電晶體220-1、220-2、220-3、及220-4分別經耦合至光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4。一浮動擴散部222分別透過轉移電晶體220-1、220-2、220-3、及220-4耦合至光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4，以自光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4接收光生電荷。源極隨耦器電晶體226之一閘極經耦合至浮動擴散部222以回應於浮動擴散部222中由光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4光生之電荷產生一影像信號234。在一個實例中，影像信號234包含電流IIMAGE ，該電流IIMAGE 經耦合以透過一列選擇電晶體228讀出且由底部晶粒206中之影像讀出電路系統216透過從頂部晶粒202至第二晶粒204之一混合接合265接收，接著，該混合接合265經佈線穿過穿過第二晶粒204之一TSV 210至底部晶粒206，如展示。
在圖2中描繪之實例中，一重設電晶體224經耦合至浮動擴散部222。在一個實例中，重設電晶體224經耦合以重設像素單元208中之光生電荷。例如，在一個實例中，重設電晶體224經耦合以重設浮動擴散部222中之電荷。在一個實例中，重設電晶體224亦透過轉移電晶體220-1、220-2、220-3、及220-4耦合至光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4，以重設光電二極體218-1、218-2、218-3、及218-4中之電荷。
應瞭解，實例像素單元208之設計與一4電晶體(4T)像素具有一些相似之處。在各個實例中，應注意，亦可實施一類3T像素設計。在此一實例中，轉移電晶體220-1、220-2、220-3、及220-4及浮動擴散部222不包含於像素單元208中，且重設電晶體224及源極隨耦器226之閘極直接耦合至一光電二極體218，而非透過一轉移電晶體220耦合。
然而，圖2之像素單元208與3T或4T像素設計之間的一個差異在於，重設電晶體之汲極不耦合至頂部晶粒202中之一像素供應電壓。代替地，如在所繪示之實例中展示，根據本發明之教示，頂部晶粒202中之重設電晶體224之汲極透過一導體238耦合至安置於第二晶粒204中之一事件感測單元212中之一模式選擇電路230之一第一節點256。如提及，圖2中繪示之像素單元208實例係包含於像素陣列之一NxN單元中之複數個像素單元208＜1＞、208＜2＞、…208＜N2 ＞之一者。因此，在實例中，導體238係經耦合至第二晶粒204中之模式選擇電路230之第一節點256之所展示之N2 個導體之一者。因而，根據本發明之教示，第一節點256經耦合至頂部晶粒202中之NxN像素單元中之各自N2 個像素單元208之N2 個導體238及N2 個重設電晶體224。
應瞭解，可存在第二晶粒204中之模式選擇電路230之第一節點256如何耦合至頂部晶粒202中之N2 個導體238之多種不同排列或變動。例如，在圖2中繪示之實例中，可存在頂部晶粒202中之導體238可透過其或其等耦合至第二晶粒204中之模式選擇電路230之第一節點256之一或多個混合接合264。在各個實例中，可存在1至N2 個混合接合264。為了繪示，假定在一個實例中存在2個混合接合264，編號為例如264-1及264-2。在彼實例中，像素單元208＜1:N2 /2＞之導體238在最終耦合至一第一混合接合264-1之前一起預耦合於頂部晶粒202中，接著，該第一混合接合264-1耦合至第二晶粒204中之模式選擇電路230之第一節點256。繼續彼實例，像素單元208＜(N2 /2)+1:N2 ＞之剩餘導體238在最終耦合至第二混合接合264-2之前一起預耦合於頂部晶粒202中，接著，該第二混合接合264-2耦合至第二晶粒204中之模式選擇電路230之第一節點256。
在所繪示之實例中，重設電晶體224之汲極透過像素級混合接合264沿著頂部晶粒202與第二晶粒204之間的導體238耦合至第一節點256。在一正常成像模式期間，模式選擇電路230經組態以回應於一模式選擇信號232將第一節點256耦合至一第二節點258 (I)。在實例中，模式選擇電路230之第二節點258經耦合至一像素供應電壓PIXVD。因此，在圖2中描繪之實例中，選擇正常成像模式，且取消選擇事件驅動模式。因此，在一正常成像模式期間，根據本發明之教示，重設電晶體224之汲極經耦合以經由混合接合264自第二晶粒204接收像素供應電壓PIXVD。因而，重設電晶體224之汲極經耦合至像素供應電壓PIXVD以在正常成像模式期間重設像素單元208中之影像電荷。
如下文將更詳細論述，圖2亦繪示第二晶粒204中之事件感測單元212亦包含經耦合至模式選擇電路230之一第三節點260之事件驅動電路系統266。在一事件驅動模式期間，根據本發明之教示，模式選擇電路230經組態以回應於模式選擇信號232將第一節點256耦合至第三節點260 (E)，而非第二節點258。
為了繪示，圖3繪示具有根據本發明之教示選擇之一事件驅動模式及根據本發明之教示取消選擇之一正常成像模式之堆疊CIS系統300之一個實例示意圖。應瞭解，圖3之堆疊CIS系統300可為如圖2中所展示之堆疊CIS系統200之另一實例及/或如圖1中所展示之堆疊CIS系統100之另一實例，且上文描述之類似地命名且編號之元件在下文類似地耦合及起作用。
如在實例中展示，在事件驅動模式期間，根據本發明之教示，模式選擇電路330經組態以回應於模式選擇信號332將第一節點356耦合至第三節點360 (E)。因此，在圖3中描繪之實例中，選擇事件驅動模式，且取消選擇正常成像模式。因而，根據本發明之教示，在事件驅動模式期間，第二晶粒304中之事件驅動電路系統366現在透過經耦合至第一節點356之各自N2 個導體338及像素級混合接合364耦合至N2 個重設電晶體324。在圖3中描繪之實例中，應注意，出於解釋目的，繪示一非共用像素設計。如展示，根據本發明之教示，光電二極體318、轉移電晶體320、及頂部晶粒302中之重設電晶體324，與第二晶粒304中之事件驅動電路系統366組合一起用作一事件驅動像素以在事件驅動模式期間產生超高速度事件脈衝368及370。
在操作中，轉移電晶體320及重設電晶體324在事件驅動模式期間經接通。因而，入射在光電二極體318上之入射光362光生電荷，此導致在事件驅動模式期間流動通過光電二極體318、轉移電晶體320、重設電晶體324、模式選擇電路330、及事件驅動電路系統366之一光電流。若場景係靜態的且因此未發生事件，則入射光362之亮度保持不變。因而，由光電二極體318產生之光電流保持恆定。然而，若在場景中發生一事件(例如移動等)，則事件用入射光362之亮度之一非同步變化來指示。因而，在由光電二極體318產生之光電流中存在一非同步變化或差量(delta)。光電流中之變化或差量在圖3中用光電流信號ΔIEVENT 336指示。
圖3繪示事件驅動電路系統366之一個實例，其包含至耦合至一非同步差量調變電路342之電壓轉換器340之一光電流，該非同步差量調變電路342耦合至一比較器級343，如展示。在各個實例中，至電壓轉換器340之光電流將光電流信號ΔIEVENT 336轉換成一輸出電壓信號。在一個實例中，至電壓轉換器340之光電流以對數方式將由光電二極體318產生之光電流信號ΔIEVENT 336轉換成輸出電壓信號。
在一個實例中，至電壓轉換器340之光電流使用具有經耦合以自模式選擇電路330之第三節點360接收光電流信號ΔIEVENT 336之一輸入之一放大器344實施。放大器344之輸出經耦合至電晶體346之一閘極端子。電晶體346之汲極經耦合至一電壓供應器，且電晶體346之源極經耦合至放大器344之輸入以形成一回饋迴路。因而，入射光362中發生之亮度之非同步變化透過光電流信號ΔIEVENT 336轉換成在至電壓轉換器340之光電流之放大器344之輸出處產生之輸出電壓信號。
如圖3中展示，一非同步差量調變電路342之一個實例使用具有透過一第一電容器C1電容地耦合至放大器344之輸出的一反相輸入之一運算放大器348實施。運算放大器348之非反相輸入經耦合至接地。一第二電容器C2經耦合於運算放大器348之輸出與運算放大器348之反相輸入之間。另外，一重設開關350亦經耦合於運算放大器348之輸出與運算放大器348之反相輸入之間。
如所描繪之實例中展示，運算放大器348之輸出經耦合至比較器級343中之一第一臨限值偵測器352及一第二臨限值偵測器354。第一臨限值偵測器352經耦合以回應於運算放大器348之輸出輸出一亮化事件信號368，且第二臨限值偵測器354經耦合以回應於運算放大器348之輸出輸出一暗化事件信號370。重設開關350經耦合以回應於第一臨限值偵測器352及/或第二臨限值偵測器354之輸出而切換。
在操作中，若不存在來自光電偵測器318之光電流信號ΔIEVENT 336中之變化，則在亮化事件信號368或暗化事件信號370中不存在經調變之脈衝。然而，若存在入射光362中之事件，則在光電流信號ΔIEVENT 336中存在變化，此導致至電壓轉換器340之光電流之輸出電壓中之變化，接著，該等變化亦藉由如圖3中耦合之運算放大器348放大。運算放大器348之經放大輸出經耦合以由第一臨限值偵測器352及第二臨限值偵測器354接收。
在所描繪之實例中，當運算放大器348之經放大輸出具有一正斜率且越過第一臨限值偵測器352之一第一臨限值時，一脈衝經非同步地調變成亮化事件信號368，且接著，運算放大器348接著回應於開關350重設。類似地，當運算放大器348之經放大輸出具有一負斜率且越過第二臨限值偵測器352之一第二臨限值時，一脈衝經非同步地調變成暗化事件信號368，且接著，運算放大器348接著回應於開關350重設。因此，應瞭解，在一個實例中，隨著運算放大器348之經放大輸出之斜率之量值增加，亮化事件信號368或暗化事件信號370中之脈衝頻率亦增加。此外，當不存在事件時，運算放大器348之經放大輸出之斜率係零且因此，在亮化事件信號368或暗化事件信號370中不存在脈衝。
換言之，變化之發生在性質上係非同步的，且因此脈衝經調變成亮化事件信號368或脈衝經調變成暗化事件信號370之發生亦係非同步的。具有事件驅動電路系統366之非同步性質，應瞭解，較少樣本係在具有小信號變動之無事件週期期間輸出，此減小整體功耗及頻寬要求。此外，根據本發明之教示，當事件確實發生時，事件驅動電路系統366之非同步性質回應於由事件驅動電路系統366偵測到光電流信號∆IEVENT 336中之變化而以超快回應時間實現超高速度事件擷取。在一個實例中，亮化事件信號368或暗化事件信號370經耦合以經接收用於由事件驅動電路系統進行處理，諸如(例如)圖1中展示之事件周邊電路系統114。
如在上文描述之實例中提及，模式選擇電路330之第一節點356且因此事件驅動電路366經耦合至頂部晶粒302中之複數個像素電路。例如，在一個實例中，諸如像素單元之一8x8單元之一NxN單元在一事件驅動模式期間透過模式選擇電路330耦合至事件驅動電路366。因而，在事件驅動模式期間，事件驅動電路366經耦合以回應於來自NxN單元中之每個像素單元之複數個∆IEVENT 336光電流信號之一組合而被驅動以偵測來自8x8單元之複數個∆IEVENT 336光電流信號之組合中之變化。因此，假定例如一64 MP影像感測器具有耦合至事件驅動感測陣列之各事件驅動單元312之8x8分組之像素單元，根據本發明之教示，一1 MP事件感測陣列具備64 MP影像感測器。此外，應瞭解，根據本發明之教示，1 MP事件感測陣列亦與64 MP影像感測器陣列完全對準，且因此64 MP影像感測器及對應1 MP事件感測陣列之觀看角度針對影像擷取以及超高速度事件擷取兩者完全對準。
圖4繪示根據本發明之教示之堆疊CIS系統400之另一實例。應瞭解，圖4之堆疊CIS系統400可係如圖1中所展示之堆疊CIS系統100之另一實例，且上文描述之類似地命名且編號之元件在下文類似地耦合及起作用。特定言之，應瞭解，圖4之堆疊CIS系統400係圖1之堆疊CIS系統100之一替代方法，其中一主要差異在於，如圖1中所展示之堆疊CIS系統100中之第二晶粒104及底部晶粒106經合併成圖4之堆疊CIS系統400中之一單個底部晶粒406。因此，堆疊CIS系統400係兩個晶粒之一堆疊，而非三個晶粒之一堆疊。因此，如圖4中描繪之實例中展示，堆疊CIS系統之頂部晶粒402包含類似於圖1之像素陣列108之一像素陣列408。另外，圖4之堆疊CIS系統400之底部晶粒406包含事件驅動感測陣列412及相關聯事件驅動周邊電路系統414。此外，圖4之堆疊CIS系統400之底部晶粒406亦包含經耦合以自像素陣列408讀出正常影像資料之讀出電路系統組件。在所描繪之實例中，包含於底部晶粒406中之讀出電路系統組件包含影像讀出混合信號電路系統416-1及列解碼器與類比影像處理器416-2。在各個實例中，影像讀出混合信號電路系統416-1可包含類比轉數位轉換電路系統、放大器、及I/O介面等。在一個實例中，頂部晶粒402之電路系統可透過混合接合、TSV、或其他合適之電路耦合技術耦合至底部晶粒406之電路系統。
本發明之所繪示實例之上文描述(包含發明摘要中所描述之內容)不旨在為詳盡的或將本發明限制為所揭示之精確形式。雖然本文出於繪示性目的描述本發明之具體實例，然如熟習此項技術者將認識到，各種修改在本發明之範疇內係可行的。
鑑於上文詳細描述，可對本發明做出此等修改。隨附發明申請專利範圍中所使用之術語不應被解釋為將本發明限制於說明書中所揭示之具體實例。實情係，本發明之範疇將完全由下列發明申請專利範圍判定，該等發明申請專利範圍應根據發明申請專利範圍解釋之既定原則來解釋。
100:堆疊互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器(CIS)系統 102:第一晶粒 104:第二晶粒 106:第三晶粒 108:像素陣列 110:正常影像讀出 112:事件驅動感測陣列 114:事件驅動周邊電路系統 116:影像讀出混合信號電路系統 200:堆疊互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器(CIS)系統 202:頂部晶粒 204:第二晶粒 206:底部晶粒 208＜1＞:像素單元 208＜2＞:像素單元 208＜N2＞:像素單元 210:穿矽通孔(TSV) 212:事件感測單元 216:影像讀出電路系統 218-1:光電二極體 218-2:光電二極體 218-3:光電二極體 218-4:光電二極體 220-1:轉移電晶體 220-2:轉移電晶體 220-3:轉移電晶體 220-4:轉移電晶體 222:浮動擴散部 224:重設電晶體 226:源極隨耦器電晶體 228:列選擇電晶體 230:模式選擇電路 232:模式選擇信號 234:影像信號 238:導體 256:第一節點 258:第二節點 260:第三節點 262:入射光 264:混合接合 265:混合接合 266:事件驅動電路系統 300:堆疊互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器(CIS)系統 302:頂部晶粒 304:第二晶粒 312:事件驅動單元 318:光電二極體 320:轉移電晶體 324:重設電晶體 330:模式選擇電路 332:模式選擇信號 336:光電流信號 338:導體 340:電壓轉換器 342:非同步差量調變電路 343:比較器級 344:放大器 346:電晶體 348:運算放大器 350:重設開關 352:第一臨限值偵測器 354:第二臨限值偵測器 356:第一節點 360:第三節點 362:入射光 364:像素級混合接合 366:事件驅動電路系統 368:超高速度事件脈衝 370:超高速度事件脈衝 400:堆疊互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器(CIS)系統 402:頂部晶粒 406:底部晶粒 408:像素陣列 412:事件驅動感測陣列 414:相關聯事件驅動周邊電路系統 416-1:影像讀出混合信號電路系統 416-2:列解碼器與類比影像處理器 C1:第一電容器 C2:第二電容器
參考下列圖式描述本發明之非限制性及非詳盡實施例，其中貫穿各種視圖相似元件符號指代相似部件，除非另外指定。
圖1繪示根據本發明之教示之堆疊互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器(CIS)系統之一個實例。
圖2繪示具有根據本發明之教示選擇之一正常成像模式及根據本發明之教示取消選擇之一事件驅動模式之一影像感測器之一個實例示意圖。
圖3繪示具有根據本發明之教示選擇之一事件驅動模式及根據本發明之教示取消選擇之一正常成像模式之一影像感測器之一個實例示意圖。
圖4繪示根據本發明之教示之堆疊CIS系統之一個實例。
貫穿圖式之若干視圖，對應元件符號指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，為了簡單且清楚起見繪示圖中之元件，且並不一定按比例繪製該等元件。例如，圖中之一些元件之尺寸可相對於其他元件誇大以幫助改良對本發明之各種實施例之理解。另外，通常不描繪在一商業可行實施例中有用或必要之常見但眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例的更直觀瞭解。
200:堆疊互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器(CIS)系統
202:頂部晶粒
204:第二晶粒
206:底部晶粒
208<1>:像素單元
208<2>:像素單元
208<N2>:像素單元
210:穿矽通孔(TSV)
212:事件感測單元
216:影像讀出電路系統
218-1:光電二極體
218-2:光電二極體
218-3:光電二極體
218-4:光電二極體
220-1:轉移電晶體
220-2:轉移電晶體
220-3:轉移電晶體
220-4:轉移電晶體
222:浮動擴散部
224:重設電晶體
226:源極隨耦器電晶體
228:列選擇電晶體
230:模式選擇電路
232:模式選擇信號
234:影像信號
238:導體
256:第一節點
258:第二節點
260:第三節點
262:入射光
264:混合接合
265:混合接合
266:事件驅動電路系統

Claims (25)

  1. 一種影像感測器，其包括：一像素單元(pixel cell)，其包括：一光電二極體，其經組態以回應於入射光而光生(photogenerate)電荷；一源極隨耦器電晶體(source follower transistor)，其耦合至該光電二極體以回應於由該光電二極體光生之該電荷而產生一影像信號，其中該影像信號經耦合以由影像讀出電路系統透過該像素單元之一列選擇電晶體(row select transistor)接收；及一重設電晶體，其經耦合以重設由該光電二極體光生之該電荷；一模式選擇電路，其具有耦合至該重設電晶體之一第一節點及耦合至一像素供應電壓之一第二節點；及一事件驅動電路，其耦合至該模式選擇電路之一第三節點，其中該模式選擇電路經組態以在一成像模式期間將該第一節點耦合至該第二節點以將該像素供應電壓供應至該重設電晶體來重設該光電二極體，且其中該模式選擇電路進一步經組態以在一事件驅動模式期間將該第一節點耦合至該第三節點，以回應於該入射光而耦合該光電二極體之一光電流，以透過該重設電晶體驅動該事件驅動電路以偵測該光電二極體之該光電流中之變化，其中該事件驅動電路包括：一電流轉電壓轉換器，其耦合至該模式選擇電路之該第三節點，其中該電流轉電壓轉換器經耦合以回應於該光電二極體之該光電流 而將該光電二極體之該光電流轉換成一輸出電壓信號；及一非同步差值調變電路(asynchronous delta modulation circuit)，其耦合至該電流轉電壓轉換器；及一比較器級，其耦合至該非同步差值調變電路，其中該非同步差值調變電路及比較器級經耦合以非同步地產生回應於來自該電流轉電壓轉換器之該輸出電壓信號中之一正斜率而調變之一第一事件信號，且其中該非同步差值調變電路及該比較器級進一步經耦合以非同步地產生回應於來自該電流轉電壓轉換器之該輸出電壓信號中之一負斜率而調變之一第二事件信號。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該像素單元進一步包括：一轉移電晶體，其耦合至該光電二極體；及一浮動擴散部(floating diffusion)，其耦合至該轉移電晶體以透過該轉移電晶體自該光電二極體接收該光生電荷，其中該源極隨耦器之一閘極端子經耦合至該浮動擴散部，其中該源極隨耦器經耦合以回應於該浮動擴散部中之該電荷產生該影像信號，其中在該成像模式期間，該重設電晶體進一步經耦合以重設該浮動擴散部，且透過該轉移電晶體重設該光電二極體，且其中在該事件驅動模式期間，該模式選擇電路進一步經組態以耦合該光電二極體之該光電流以透過該轉移電晶體及該重設電晶體驅動該事件驅動電路以偵測該光電二極體之該光電流中之該等變化。
  3. 如請求項2之影像感測器，其中該光電二極體係包含於該像素單元中 之複數個光電二極體之一者，其中該轉移電晶體係包含於該像素單元中之複數個轉移電晶體之一者，其中該複數個轉移電晶體之各者經耦合於該複數個光電二極體之一對應者與該浮動擴散部之間。
  4. 如請求項2之影像感測器，其中該像素單元係包含於一像素陣列中之複數個像素單元之一者，其中該像素陣列進一步經配置成複數個分組之像素單元。
  5. 如請求項4之影像感測器，其中該模式選擇電路之該第一節點進一步經耦合至該複數個分組之像素單元之一者的每個像素單元之一重設電晶體，其中在該事件驅動模式期間，該事件驅動電路進一步經耦合以回應於該複數個分組之像素單元之一者的該每個像素單元之複數個光電流之一組合而被驅動以偵測該複數個光電流之該組合中之該等變化。
  6. 如請求項5之影像感測器，其中該複數個分組之像素單元之各者包含一NxN分組之像素單元。
  7. 如請求項5之影像感測器，其中該複數個分組之像素單元之各者包含一4x4分組之像素單元。
  8. 如請求項5之影像感測器，其中該模式選擇電路及該事件驅動電路包含於一事件感測單元中，其中該事件感測單元係耦合至該像素陣列之一事件驅動感測陣列中之複數個事件感測單元之一者。
  9. 如請求項1之影像感測器，其中該電流轉電壓轉換器包括：一放大器，其具有耦合至該模式選擇電路之該第三節點的一輸入；及一電晶體，其具有耦合至該放大器之一輸出的一閘極，其中該電晶體進一步經耦合於一電壓供應器與該放大器之該輸入之間，其中該放大器之該輸出經耦合以回應於該光電二極體之該光電流產生一輸出電壓信號。
  10. 如請求項1之影像感測器，其中該非同步差值調變電路包括：一運算放大器，其具有耦合至接地之一非反相輸入及透過一第一電容器電容地耦合至該電流轉電壓轉換器之一輸出的一反相輸入；一第二電容器，其耦合於該反相輸入與該運算放大器之一輸出之間；及一重設開關，其耦合於該反相輸入與該運算放大器之該輸出之間。
  11. 如請求項10之影像感測器，其中該比較器級包括：一第一臨限值偵測器(threshold detector)，其耦合至該運算放大器之該輸出以非同步地產生該第一事件信號；及一第二臨限值偵測器，其耦合至該運算放大器之該輸出以非同步地產生該第二事件信號，其中該重設開關經耦合以回應於該第一臨限值偵測器及該第二臨限值偵測器進行切換。
  12. 一種堆疊互補式金氧半導體影像感測器(CIS)系統，其包括： 一第一晶粒，其包含一像素陣列，該像素陣列包含配置成列及行之複數個像素單元，其中該等像素單元之各者包括：一光電二極體，其經組態以回應於入射光而光生電荷；一源極隨耦器電晶體，其耦合至該光電二極體以回應於由該光電二極體光生之該電荷產生一影像信號，其中該影像信號經耦合以由影像讀出電路系統透過該像素單元之一列選擇電晶體接收；及一重設電晶體，其經耦合以重設由該光電二極體光生之該電荷；及一第二晶粒，其與該第一晶粒堆疊，其中該第二晶粒包括：一模式選擇電路，其具有透過該第一晶粒與該第二晶粒之間的一混合接合(hybrid bond)耦合至該重設電晶體之一第一節點，其中該模式選擇電路進一步包含耦合至一像素供應電壓之一第二節點；及一事件驅動電路，其耦合至該模式選擇電路之一第三節點，其中該模式選擇電路經組態以在一成像模式期間將該第一節點耦合至該第二節點以透過該混合接合將該像素供應電壓供應至該重設電晶體來重設該光電二極體，且其中該模式選擇電路進一步經組態以在一事件驅動模式期間將該第一節點耦合至該第三節點，以回應於該入射光而耦合該光電二極體之一光電流，以透過該重設電晶體及透過該混合接合驅動該事件驅動電路以偵測該光電二極體之該光電流中之變化。
  13. 如請求項12之堆疊CIS系統，其中該第二晶粒進一步包含該讀出電路系統，其中該像素陣列透過該第一晶粒與該第二晶粒之間的該混合接合耦 合至該讀出電路系統。
  14. 如請求項12之堆疊CIS系統，其進一步包括包含該影像讀出電路系統之一第三晶粒，其中該第一晶粒、該第二晶粒、及該第三晶粒在一堆疊晶片方案中耦合在一起，其中該像素陣列進一步透過耦合於該第一晶粒與該第三晶粒之間的穿矽通孔且透過該第二晶粒耦合至該第三晶粒中之該影像讀出電路系統。
  15. 如請求項12之堆疊CIS系統，其中該等像素單元之各者進一步包括：一轉移電晶體，其耦合至該光電二極體；及一浮動擴散部，其耦合至該轉移電晶體以透過該轉移電晶體自該光電二極體接收該光生電荷，其中該源極隨耦器之一閘極端子經耦合至該浮動擴散部，其中該源極隨耦器經耦合以回應於該浮動擴散部中之該電荷產生該影像信號，其中在該成像模式期間，該重設電晶體進一步經耦合以重設該浮動擴散部，且透過該轉移電晶體重設該光電二極體，且其中在該事件驅動模式期間，該模式選擇電路進一步經組態以耦合該光電二極體之該光電流以透過該轉移電晶體、透過該重設電晶體、及透過該混合接合驅動該事件驅動電路以偵測該光電二極體之該光電流中之該等變化。
  16. 如請求項15之堆疊CIS系統，其中該光電二極體係包含於該像素單元 中之複數個光電二極體之一者，其中該轉移電晶體係包含於該像素單元中之複數個轉移電晶體之一者，其中該複數個轉移電晶體之各者經耦合於該複數個光電二極體中之一對應者與該浮動擴散部之間。
  17. 如請求項15之堆疊CIS系統，其中該像素陣列進一步經配置成複數個分組之像素單元，其中該模式選擇電路之該第一節點進一步經耦合至該複數個分組之像素單元之一者的每個像素單元之一重設電晶體，其中在該事件驅動模式期間，該事件驅動電路進一步經耦合以回應於該複數個分組之像素單元之一者的該每個像素單元之複數個光電流之一組合而被驅動以偵測該複數個光電流之該組合中之該等變化。
  18. 如請求項17之堆疊CIS系統，其中該混合接合係該第一晶粒與該第二晶粒之間的多個混合接合之一者，該模式選擇電路透過該混合接合耦合至該複數個分組之像素單元之一者的每個像素單元之該重設電晶體。
  19. 如請求項17之堆疊CIS系統，其中該複數個分組之像素單元之各者包含一NxN分組之像素單元。
  20. 如請求項17之堆疊CIS系統，其中該複數個分組之像素單元之各者包含一4x4分組之像素單元。
  21. 如請求項17之堆疊CIS系統，其中該模式選擇電路及該事件驅動電路包含於一事件感測單元中，其中該事件感測單元係在該第二晶粒中且耦合 至該像素陣列之一事件驅動感測陣列中之複數個事件感測單元之一者。
  22. 如請求項12之堆疊CIS系統，其中該事件驅動電路包括：一電流轉電壓轉換器，其耦合至該模式選擇電路之該第三節點，其中該電流轉電壓轉換器經耦合以回應於該光電二極體之該光電流將該光電二極體之該光電流轉換成一輸出電壓信號；一非同步差值調變電路，其耦合至該電流轉電壓轉換器；及一比較器級，其耦合至該非同步差值調變電路，其中該非同步差值調變電路及比較器級經耦合以非同步地產生回應於來自該電流轉電壓轉換器之該輸出電壓信號中之一正斜率而調變之一第一事件信號，且其中該非同步差值調變電路及比較器級經耦合以非同步地產生回應於來自該電流轉電壓轉換器之該輸出電壓信號中之一負斜率而調變之一第二事件信號。
  23. 如請求項22之堆疊CIS系統，其中該電流轉電壓轉換器包括：一放大器，其具有耦合至該模式選擇電路之該第三節點的一輸入；及一電晶體，其具有耦合至該放大器之一輸出的一閘極，其中該電晶體進一步經耦合於一電壓供應器與該放大器之該輸入之間，其中該放大器之該輸出經耦合以回應於該光電二極體之該光電流產生一輸出電壓信號。
  24. 如請求項22之堆疊CIS系統，其中該非同步差值調變電路包括：一運算放大器，其具有耦合至接地之一非反相輸入及透過一第一電容器電容地耦合至該電流轉電壓轉換器之一輸出的一反相輸入； 一第二電容器，其耦合於該反相輸入與該運算放大器之一輸出之間；及一重設開關，其耦合於該反相輸入與該運算放大器之該輸出之間。
  25. 如請求項24之堆疊CIS系統，其中該比較器級包括：一第一臨限值偵測器，其耦合至該運算放大器之該輸出以非同步地產生該第一事件信號；及一第二臨限值偵測器，其耦合至該運算放大器之該輸出以非同步地產生該第二事件信號，其中該重設開關經耦合以回應於該第一臨限值偵測器及該第二臨限值偵測器進行切換。
TW110115292A 2020-04-29 2021-04-28 具有事件驅動感測之混合互補式金氧半導體影像感測器 TWI781599B (zh)

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