CMOS有源像素图像传感器及其校准方法技术

本发明专利技术提供一种CMOS有源像素图像传感器及其校准方法，该CMOS有源像素图像传感器具有由多个CMOS有源像素组成的像素阵列，其中每个像素包括：光敏元件，其在入射光照射下产生光电流；放大器，其输入端与所述光敏元件耦接，用于对所述光敏元件所产生的光电流进行放大；以及积分电容器，耦接在所述放大器输入端和输出端之间，用于对经过所述放大器放大的光电流进行积分，以获得积分电压，其特征在于，所述积分电容器由CMOS有源像素传感器制造工艺中形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合形成。本发明专利技术中，利用CMOS有源像素图像传感器制造工艺中形成的金属层或多晶硅层之间的寄生耦合形成的小电容值的积分电容器，显著提高了CMOS有源像素图像传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
CMOS有源像素图像传感器及其校准方法
本专利技术涉及图像传感器领域，具体地讲，涉及CMOS有源像素图像传感器及其校准方法。
技术介绍
互补型金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器（CIS）由于体积小、耗电量低和成本低等优势已经成为成像科技发展的主流，广泛地用于光学式鼠标、数码相机、可视电话、智能手机等上。对于CMOS图像传感器而言，灵敏度和噪声是通常衡量一个数字图像传感器水平的两个重要参数，而由于噪声中的固定图形噪声（FPN）对于每一帧是不变的，这有点像通过网栅看东西，因此固定图形噪声的降低比瞬态噪声的降低更受到人们的重视。现有的CIS技术是以像素阵列（pixelarray）的形式组成的CMOS图像传感器，而像素阵列则是由许多像素单元排列而成，一般像素单元主要可区分为无源像素传感器（PPS）或有源像素传感器（APS）。由于有源像素传感器中的每个像素中增加了放大器，显著地增大了传感器速度并且改善了其信噪比，使得有源像素传感器被广泛应用，目前有源像素传感器的主要类型依据其具有的晶体管的数量区分为3T结构及4T结构的像素传感器，简称为3T-APS和4T-APS。由于较短的积分时间，灵敏度对于帧速率高于100帧/S的高速CIS而言至关重要。从电路级别上来讲，CIS像素的灵敏度取决于对光电流进行积分的电容器的大小。基于4T-APS的CIS在浮动漏极（floatingdrain，FD）上对光电流进行积分，该浮动漏极电容较大，通常为几个fF至10fF。基于3T-APS的CIS的积分电容更大。这些较大的积分电容将导致CIS灵敏度较小。在Gamal等的“CMOSimagesensors”,IEEECircuits&DevicesMag.,pp.6-20,May/Jun.2005中有关于基于4T-APS的CIS和基于3T-APS的CIS的介绍。相对于CCD图像传感器而言，CMOS图像传感器的制造工艺与外围电路的相同，都是采用CMOS工艺技术，因此CMOS图像传感器更加易于集成为单个片上系统。而且，使用CMOS图像传感器，可以实现控制逻辑和定时、图像处理以及信号处理电路（诸如A/D转换）的单片集成，因此能够以较低的成本制造CMOS图像传感器。另外，CMOS器件仅需要单个电源供电，该电源也可以用于驱动外围电路，因此CMOS图像传感器功耗较低。然而，相对于CCD图像传感器而言，CMOS图像传感器的一个突出的缺点是固定图形噪声（FPN）大。FPN是由于列处理电路和像素电路之间的失配造成的。FPN包括偏移失配和增益失配。在现有CIS的列中，FPN列偏移通常在列中使用DeltaDifferenceSampling(DDS)来去除，该技术可参见Mendis等的“CMOSactivepixelimagesensorsforhighlyintegratedimagingsystems”,IEEEJ.Solid-StateCircuits,Vol.32,pp.187-197,1997。在成像过程中，一些设计使用外部测试电压来测量列偏移和FPN增益，从而补偿失配。在“CircuitandmethodforcancellationofcolumnpatternnoiseinCMOSimagers)”的美国专利第6,903,670B1号中有相关记载。在本领域中，从未有过在电子域对像素之间的失配进行补偿的方法。由于像素阵列的大小在近年来迅速增加，补偿像素之间的失配的技术是必要的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种CMOS有源像素图像传感器及其校准方法，其针对当前基于三个晶体管或四个晶体管的CMOS有源像素图像传感器中存在的积分电容较大从而导致的CMOS图像传感器灵敏度较低的问题，提出了采用CMOS有源像素图像传感器制造工艺中的金属层之间或多晶硅层之间的寄生耦合所形成的小积分电容器作为CMOS图像传感器中的积分电容器来提高CMOS有源像素图像传感器的灵敏度；另外，本专利技术又针对小的寄生积分电容器会增大有源像素之间的失配从而增大CMOS有源像素图像传感器的固定图形噪声的问题，提出了在每个像素中配置一个用以向该像素引入已知的校准电流的开关从而借助于该已知的校准电流来精确地测量所选像素的偏移和固定图形噪声增益，实现像素级的校准，从而提供不仅灵敏度高而且具有改善的固定图形噪声补偿的CMOS有源像素图像传感器。为此，本专利技术提供了一种CMOS有源像素图像传感器，具有由多个CMOS有源像素组成的像素阵列，其中每个像素包括：光敏元件，其在入射光照射下产生光电流；放大器，其输入端与所述光敏元件耦接，用于对所述光敏元件所产生的光电流进行放大；以及积分电容器，耦接在所述放大器输入端和输出端之间，用于对经过所述放大器放大的光电流进行积分，以获得积分电压，其特征在于，所述积分电容器由CMOS有源像素传感器制造工艺中形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合形成。优选地，所述积分电容器由连续堆叠的金属层-氧化物层-金属层形成。优选地，所述氧化物层为二氧化硅层。优选地，通过另一氧化物层而置于所述积分电容器下方的金属层以及通过再一氧化物层而置于所述积分电容器上方的金属层接地。所述积分电容器可以小于1fF。优选地，所述积分电容器为0.7fF。根据本专利技术的CMOS有源像素图像传感器中的每个像素还包括校准开关，该校准开关的源极连接到所述放大器输入端，漏极连接到校准总线，而栅极在一个校准控制信号的控制下将校准模式下所用的校准电流引入该像素，其中所述校准总线用于在校准模式下传输校准电流。在根据本专利技术的CMOS有源像素图像传感器中，针对像素阵列中的每列像素设置一条校准总线。优选地，所述校准电流与光电流具有相同的积分路径。根据本专利技术的CMOS有源像素图像传感器中的每个像素还包括复位开关，其漏极连接至所述放大器输入端，源极连接至放大器输出端，而栅极由复位控制信号控制，所述复位开关在所述积分电容器对光电流进行积分前在所述复位控制信号的控制下对所述积分电容器进行复位，以在所述积分电容器上获得该像素的复位电压。所述校准总线在成像模式下被施加一个偏置电压。优选地，所述偏置电压等于所述复位电压。根据本专利技术的CMOS有源像素图像传感器的每个像素还可以包括：积分电压采样电容器，用于在积分电压采样信号的控制下对积分电压进行采样，以获得采样的积分电压；以及复位电压采样电容器，用于在复位电压采样信号的控制下对复位电压进行采样，以获得采样的复位电压。根据本专利技术的CMOS有源像素图像传感器的每个像素还可以包括：第一读出开关，用于对采样的积分电压进行缓冲，以在第一读出信号的控制下将采样的积分电压传输到第一列总线；以及第二读出开关，用于对采样的复位电压进行缓冲，以在第二读出信号的控制下将采样的复位电压传输到第二列总线。根据本专利技术的CMOS有源像素图像传感器还可以包括：校准电流产生模块，产生针对像素阵列中的每列像素的校准电流；以及第一切换矩阵，用于将校准电流产生模块产生的校准电流切换到像素阵列中所选列的校准总线。根据的CMOS有源像素图像传感器还可以包括：可变增益放大器阵列，包括多个可变增益放大器，每个可变增益放大器用于像素阵列中的每列像素，用于对从像素阵列中所选像素输出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CMOS有源像素图像传感器，具有由多个CMOS有源像素组成的像素阵列，其中每个像素包括：光敏元件（304），其在入射光照射下产生光电流（311）；放大器（305），其输入端与所述光敏元件（304）耦接，用于对所述光敏元件（304）所产生的光电流（311）进行放大；以及积分电容器（307），耦接在所述放大器（305）输入端和输出端之间，用于对经过所述放大器（305）放大的光电流进行积分，以获得积分电压，其特征在于，所述积分电容器（307）由CMOS有源像素传感器制造工艺中形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合形成。

【技术特征摘要】
2012.05.01 US 61/687,7361.一种CMOS有源像素图像传感器，具有由多个CMOS有源像素组成的像素阵列，其中每个像素包括：光敏元件（304），其在入射光照射下产生光电流（311）；放大器（305），其输入端与所述光敏元件（304）耦接，用于对所述光敏元件（304）所产生的光电流（311）进行放大；以及积分电容器（307），耦接在所述放大器（305）输入端和输出端之间，用于对经过所述放大器（305）放大的光电流进行积分，以获得积分电压，其特征在于，所述积分电容器（307）由CMOS有源像素传感器制造工艺中形成的金属层之间或者多晶硅层之间的寄生耦合形成。2.根据权利要求1所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述积分电容器（307）由连续堆叠的金属层-氧化物层-金属层形成。3.根据权利要求2所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述氧化物层为二氧化硅层。4.根据权利要求2所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，通过另一氧化物层而置于所述积分电容器（307）下方的金属层以及通过再一氧化物层而置于所述积分电容器（307）上方的金属层接地。5.根据权利要求4所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述积分电容器小于1fF。6.根据权利要求5所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述积分电容器为0.7fF。7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，每个像素还包括校准开关（306），该校准开关（306）的源极连接到所述放大器（305）输入端，漏极连接到校准总线（301），而栅极在一个校准控制信号的控制下将校准模式下所用的校准电流（2011）引入该像素，其中所述校准总线（301）用于在校准模式下传输校准电流（2011）。8.根据权利要求7所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，针对所述像素阵列中的每列像素设置一条校准总线（301）。9.根据权利要求7所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，所述校准电流与光电流具有相同的积分路径。10.根据权利要求7所述的CMOS有源像素图像传感器，其特征在于，每个像素还包括复位开关（308），其漏极连接至所述放大器（305）输入端，源极连接至放大器（305）输出端，而栅极由复位控制信号控制，所述复位开关（308）在所述积分电容器（307）对光电流进行积分前在所述复位控制信号的控制下对所述积分电容器（307）进行复位，以在所述积分电容器（307）上获得该像素的复位电压。11.根据权利要求10所述的CMOS有源...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁杰，徐若愚，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：