Sony最新的图像传感器:一篇文章彻底搞懂索尼的图像传感技术

2021/12/25 05:18 · 传感器知识资讯 ·  · Sony最新的图像传感器:一篇文章彻底搞懂索尼的图像传感技术已关闭评论
摘要:

Sony最新的图像传感器:一篇文章彻底搞懂索尼的图像传感技术索尼的CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor-互补金属氧化物半导体)传感器技术探索始于1996年,在2000年的时候诞生其第一个CMOS图像传感器(IMX001)。那个时候的CMOS传感器在暗光环境下的照片有很多噪点,而且在像素量上也比老CCD图像传感器

Sony最新的图像传感器:一篇文章彻底搞懂索尼的图像传感技术

索尼的 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor - 互补金属氧化物半导体)传感器技术探索始于 1996 年,在 2000 年的时候诞生其第一个 CMOS 图像传感器(IMX001)。那个时候的 CMOS 传感器在暗光环境下的照片有很多噪点,而且在像素量上也比老 CCD 图像传感器低。但是 CCD 的低输出速度让索尼认为当市场转向高清视频的时候,CCD 是无法支持高清数据的速度要求的。所以在 2004 年的时候,索尼革命性地从 CCD 转向了 CMOS 图像传感器的重点研发。这是一个非常重要的转折点。索尼将从世界第一大 CCD 图像传感器市场占有者,慢慢向 CMOS 图像传感器市场进军。
到了 2007 年年底,索尼发布了支持快速,低噪点的列式 A/D 转换电路 CMOS 图像传感器,之后在 2009 年年底,发布了背照式 CMOS 图像传感器 ,是普通传感器敏锐度的两倍 - 超过了人眼能力。
随后,索尼的一系列世界一流的创新技术还诞生了 2012 年的叠层 CMOS 图像传感器(更高的画质和更小更强大的技术元件)和 2015 年的世界首款 Cu-Cu 传感器(更加小巧,性能更佳,更低的制造成本)。
列式平行 A/D 转换电路 CMOS 图像传感器(2007 年发布)
这种传感器中,每一纵列都有一个转换那一列模拟信号的 A/D 转换器。从纵向信号电路读取的模拟信号可以直接传到最近的每一行模数转换器(ADC),这种方法可以减少因为电信号传输过程中的干扰带来的照片质量下降,还可以加速信号输出。电信号干扰也会通过双重噪声消除来降低,这是通过在模拟信号和数字信号电路中用精细的技术来实现的。
背照式 CMOS 图像传感器(2009年发布)
背照式 CMOS 图像传感器中使用了一种突破性的技术 - 背照式结构,该结构能带来更低的噪点并且几乎将传感器的敏感度在前照式 CMOS 传感器的基础上翻了一倍。
没有了线路层和二极管的干扰,光线在硅片的背部接收,这样可以增加进入每一个像素点的光线量并且降低相对于各个角度上的敏感度衰减。最后带来即便是在晚上或者其它低光环境下也能拍摄出来的平滑、清晰的照片。
叠层 CMOS 图像传感器(2012年发布)
叠层传感器中,背照式中的像素点部分被叠在了一个信号处理电路上,而不是向背照式那样和硅片放在一起。这样做的好处是大型复杂的电路可以被加进设计。因为各个部分之间是相互独立的,专门的生产流程可以用来生产像素层,专门提升照片质量,而电路部分可以分开设计和生产,来提高性能、清晰度、多功能支持、和更小巧的体积。
Cu-Cu连接叠层传感器(2015年发布)
Cu-cu 连接直接将像素层和逻辑电路层相连。不需要额外的电路连接装置,生产出来的传感器更小,生产效率更高。在能够存放更多的元件的支持下,这一项新技术可以让叠层传感器支持更多的新功能。
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Sony最新的图像传感器:索尼谈有史以来最小的SWIR图像传感器

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「索尼」,谢谢。SWIR(short-wavelength infrared:短波红外)图像传感器在各行各业的质量检测中至关重要。SWIR 光谱是可见光波段以外的一系列红外光谱,可用于产品检测以检测人眼不可见的微小缺陷或污染物。索尼最近开发的 SWIR 图像传感器通过部署业界最小的 5 μm像素,实现了更小尺寸和更多像素。该图像传感器无与伦比,因为其动态范围还涵盖了可见光光谱。这种独一无二的图像传感器背后是一个在开发过程中前所未有的挑战故事。如何克服这些挑战的故事揭示了只有索尼半导体解决方案集团(以下简称“集团”)拥有的专业知识。
索尼首先指出,SWIR(短波红外线)是一种特殊范围的红外线。可以使用热成像相机来检测某些范围的红外光,以测量例如人体的温度。其他人有不同的属性。SWIR 是介于 0.9 和 2.5 μm 之间的波长范围。
它在反射和吸收方面有别于可见光的特性,而 SWIR 图像传感器利用这些特性将人眼无法感知的事物可视化。同时,一些材料允许短波红外光穿透,这使得检查这些材料背后的东西成为可能。
这种光的散射也比可见光少,而且这种特性对于在有雾或有雾的环境中可视化物体很有用。
得益于其原创技术,索尼开发的 SWIR 图像传感器不仅可以在高达 1.7 μm 的范围内进行可视化,还可以捕获可见光谱中的图像。
从应用上看,索尼指出,SWIR 光具有穿透硅和可视化雾的特性。利用这些特性,图像传感器可应用于各种行业,包括半导体和食品生产,主要用于检测目的。以半导体行业为例,半导体晶圆通常由吸收可见光的硅制成。在可见光条件下使用传统数码相机,它看起来就像一块普通的金属板。同时,短波红外穿透硅。因此,当在配备 SWIR 图像传感器的相机捕获的图像中进行可视化时,芯片看起来像一块透明的玻璃板,并且可以检测到晶片内的裂缝或半导体中的污染物。
除此之外,水在自然可见光下是透明的,但它会吸收短波红外波段内的特定波长,因此在捕获的图像中会呈现彩色。该特性可用于检测水分,因此该传感器可用于食品检测,例如检测在可见光下难以检测的水果上的瘀伤和划痕。
可见光下
SWIR成像条件下
在问到这类传感器的设计难度时,索尼回应道:SWIR 图像传感器已经应用于许多行业,但它们存在重大的技术问题。其中之一是像素大小。传统传感器中的像素很大,并且尺寸使得在一个传感器中放置多个像素变得困难。它对提高决议提出了挑战。在图像质量方面,也很难获得清晰的图像,因此相机制造商不得不安排繁重的后期处理。此外,由于传感器是模拟类型,相机必须将信号转换为数字数据,这给相机的处理电路带来了很大的压力,并且需要设计知识来实现它。他们进一步指出,传统的 SWIR 图像传感器使用凸块连接,其中包括金属球将像素内的磷化铟层与硅层连接起来。为了使用凸点连接减小像素尺寸,需要将金属球精确对准微米级的凸点间距,这本身就很难实现。这一技术难点阻碍了像素的小型化,导致图像传感器价格上涨。
正因为考虑到使用凸块连接阻碍了 SWIR 图像传感器的小型化。索尼使用 Cu-Cu 连接来解决这个问题,这是索尼多年来为图像传感器开发的堆叠技术。按照索尼的说法,在堆叠背照式 CMOS 图像传感器部分(顶部芯片)和逻辑电路(底部芯片)时,通过连接的 Cu(铜)焊盘提供电连续性的技术。与通过贯穿像素区域周围的电极实现连接的硅通孔 (TSV) 布线相比,这种方法提供了更多的设计自由度、提高了生产率、允许更紧凑的尺寸并提高了性能。这项技术将使以微间距对齐像素成为可能。
同时,传统的图像传感器使用硅作为光电转换层,但这种材料不吸收 SWIR 范围的光。因此,索尼使用砷化铟镓 (InGaAs) 作为能够吸收 SWIR 光谱并将光能转换为电信号的光电二极管材料。这种材料以前从未用于索尼的图像传感器中,但是,索尼的另一个部门拥有生产 InGaAs 的化合物半导体技术。
此外,集团拥有将光能转换为数字信号的电路技术。事实上,索尼已经掌握了应对挑战的必要技术,包括 SWIR 图像传感器所需的化合物半导体技术。索尼认为,通过结合这些技术,有可能以前所未有的微型规模实现 SWIR 图像传感器,并增加像素数。
索尼表示,公司已经相信该集团的技术专长能够取得成功,因此他们专注于部署集团的技术,使最终的图像传感器对客户有用。索尼做的第一件事是采用列并行 A/D 转换电路,这是一种为 CMOS 图像传感器技术开发的技术,将 SWIR 图像传感器输出数字化。这消除了相机制造商为后处理提供 A/D 转换组件的需要。它还有助于解决索尼竞争对手产品必须解决的图像质量问题。因此,索尼相信它有助于显着减少相机制造商的图像编辑步骤。
索尼继续指出,SWIR 图像传感器具有由 InGaAs 制成的光电二极管。制造 InGaAs 必不可少的磷化铟 (InP) 形成阻挡可见光的层。然而,索尼考虑采用的 Cu-Cu 连接在结构上允许减少 InP 层的厚度。这促使我们致力于开发一种独特的 SWIR 图像传感器,该传感器也能够在可见光下捕获图像。
索尼进一步说到,这是集团有史以来第一个使用 InGaAs 开发的 SWIR 图像传感器,因此公司彻底审查了要解决的挑战,在开发的早期阶段就有 300 多个。随着进一步深入开发,索尼发现了更多需要处理的问题。原来有这么多的挑战等待着。还有一些 InGaAs 独有的现象,这是硅所不知道的,我们不得不讨论如何在最终产品中处理这些现象。
索尼最后说到,通过像素小型化增加的像素数带来了巨大的好处。图像传感器能够识别以前无法检测到的极小损坏,从而提高检测质量。数字化将使相机设计更容易,这反过来又有助于节约成本等,并使图像传感器对客户来说更实惠。由于索尼相信能为世界带来更好的质量检测,索尼认为这款 SWIR 图像传感器将在其中发挥重要作用。
“我们的 SWIR 图像传感器具有集团广受赞誉的特性,例如易用性、高性能等等。相信会在市场上引起轰动。我认为这些特性也将有助于为新应用铺平道路。”索尼最后说。
Sony最新的图像传感器:一篇文章彻底搞懂索尼的图像传感技术  第2张

Sony最新的图像传感器:索尼领衔的CMOS图像传感器,三星、海力士开始眼红了

原标题:索尼领衔的CMOS图像传感器,三星、海力士开始眼红了

CIS(CMOS图像传感器)正在俘获存储器大厂的芳心。作为全球最大的DRAM和NAND供应商,三星在年初将位于韩国华城的第11条DRAM生产线改建成CIS产线后,于近期再度传出将部分DRAM产能转向CIS的消息。全球第二大DRAM厂商SK海力士也在近期表示,CIS将与DRAM、NAND 一起成为海力士的增长支柱,海力士将以进入第一阵营为目标,提升研发能力和生产力。

市场、产业、工艺共同作用

DRAM是韩国半导体大厂的主要营收来源。但是,DRAM具有产品线较为单一、市场份额集中在IDM大厂等特点,是景气变化最明显、价格起伏最剧烈的半导体产品之一。因而,以三星、海力士为代表的存储大厂,一直将布局非存储业务作为头等要务。

CIS之所以被存储大厂作为非存储业务的重要支点,是基于市场、产业、工艺等因素的综合考量。

从市场增长点来看,CIS需求正盛,涨势明显。YoleDéveloppement报告显示,2020年CIS产业营收已经占到全球半导体产业的4.7%,相比2015年营收翻倍,年复合增长率达15.1%。芯谋研究高级分析师张彬磊向《中国电子报》记者指出,CIS已经成为三星主营业务之一,调配和扩充CIS产能,是关注到CIS需求旺盛的常规操作。海力士一直专注于存储领域,如今在CIS市场上升期新增CIS业务,也是优化产品布局的一步好棋。

从产业链条来看,随着集成DRAM的CIS出现,CIS成为了DRAM的下游产品。麦姆斯咨询CEO王懿向《中国电子报》指出,索尼在2017年发布了业界首款集成DRAM的三层堆叠式CIS,通过3D堆叠工艺实现DRAM与CIS集成。DRAM在CIS中充当缓存,大幅提升了CIS处理数据的速度。DRAM对于CIS影响力的提升,将提升存储厂商入局CIS的成本和品控优势。

从生产工艺来看,DRAM与CIS有一定的工艺条件相似性,因而DRAM产线能较为容易地改造成CIS产线。

“CIS和存储工艺都需要高深宽比,因此利用DRAM设备和产线能较容易地满足CIS生产要求,仅需增加CFA(彩色滤波阵列处理技术),并提高污染等级管控即可。目前先进DRAM产线的污染管控等级已经支持CIS的生产,对于三星和海力士等先进DRAM工厂,仅需补齐CFA就可以满足CIS生产需求。”张彬磊说。

CIS增长点呈现“百花齐放”态势

一段时期以来,手机的多摄像头趋势是CIS市场高速增长的主要动力。但是,智能手机出货量放缓,且手机销量存在淡旺季。Omdia全球第二季度智能手机出货量数据显示,第二季度全球出货量前十手机厂商中,有七家厂商的出货量同比第一季度出现负增长。如果存储厂商希望以CIS对冲DRAM的景气变化,单靠手机拉动,并不是一个保险的策略。

好在CIS的增长点正在趋向多元化。王懿指出,从2020年开始,计算、汽车、安防、医疗、工业等众多领域的CIS市场增速都超过了手机领域,呈现出“百花齐放”的局面。

在汽车领域,随着ADAS及自动驾驶的推进,CIS作为感知车内外信息的重要传感器,正迎来新一轮增长。

在安防领域,随着5G、AI、物联网等技术的发展,安防监控行业正在进行“智慧”升级,为CIS注入了新的活力。

“展望未来5年,CIS市场的复合年增长率预计为8%左右。不仅韩国存储厂商对CIS愈加重视,国内某些DRAM厂商也有意布局CIS及新兴图像传感器。”王懿说。

技术创新成下半场竞争焦点

提到CIS的市场竞争,就不得不提到长期站在市场顶端的索尼。虽然三星已经成为全球第二大CIS供应商,但在市场份额上仍然与索尼存在较大差距。可以说,索尼在CIS长期占优,是运营模式、自驱力、技术创新的共同结果。

从模式来看,索尼作为IDM,可以缩短产品从研发到上市的时间。王懿表示,CMOS图像传感器需要各生产环节密切配合,才能顺利研发新技术、量产新产品,IDM相比Fabless更容易处于技术领先地位。

来自终端的驱动力,也提升了索尼在CIS产业的敏锐度。张彬磊指出,索尼是领先的终端厂商,能够从终端角度理解CIS需求和技术趋势,在自驱过程中建立性能优势。

在技术迭代方面,索尼从1996年开始开发CIS,通过不断的技术创新引领CIS产业的发展。

“推动CIS重大突破的技术创新主要来自背照式结构和3D堆叠式结构的发展。索尼在2009年推动感光度达到传统产品2倍的背照式CIS商品化。2017年,索尼发布的IMX400采用3D堆叠技术,将DRAM与CIS片上集成,通过技术创新延续产品优势。”王懿说。

在索尼的三项优势中,三星在IDM模式和终端自驱力方面,同样具有优势,这也是三星在CIS领域能够坐二望一的原因。

至于技术创新方面,图像传感器还有哪些技术点可以供三星等厂商挖掘,以挑战索尼的龙头地位呢?

王懿指出,在波段范围、成像技术、技术融合方面,CIS仍有广泛的市场机遇。

目前,捕捉可见光的传统CIS已经商品化。但能捕捉近红外光、短波红外光等更多波段的CIS仍有增量市场。业界正积极开发近红外、ToF、量子点红外等新兴的图像传感器。

针对基于帧的传统成像技术会产生大量数据且功耗较大,基于事件的动态视觉传感器应运而生,为快速变化的运动场景成像提供更高的时间分辨率,降低了数据传输及后续处理需求,具有功耗低、动态范围大等优势。返回搜狐,查看更多

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Sony最新的图像传感器:雅虎公司宣布撤出中国大陆,美媒:它在中国本就没什么存在感

索尼展示了第一款人工智能芯片和一款将令其相机变得更加智能的图像传感器。根据来自The Verge的一份报告,索尼公司宣布,索尼已经开发了世界上第一款智能集成的图像传感器。
新的IMX500传感器将拥有存储和处理能力,使其相机能够在没有额外硬件的情况下完成机器学习驱动的计算机视觉任务。
索尼称,这种创新的结果将产生更便宜、更快、更安全的人工智能相机。人工智能在过去几年已经使用了从监控摄像头到智能手机等多种设备。
然而,提高照片的质量不是机器学习的唯一目标,它也着重于了解以人为主的视频,例如识别对象和框架中的人。
然而,该技术的应用在很大程度上依赖于将视频和图像发送到云端然后进行分析。这个过程可能很慢,而且不安全,因为它可能让数据暴露于黑客和网络攻击。
为了避免这种情况,制造商必须在设备(如苹果、华为和谷歌的高端手机上)上安装专门的加工核心来满足计算上的额外需求。
根据Verge,与其他技术方法相比,索尼的新图像传感器将提供更为精简的解决方案。
索尼公司业务创新副总裁马克汉森(Mark Hanson)澄清说,还有一些办法来实施这种解决方案。
他谈到边缘计算技术,这种技术使用专门的人工智能芯片,而不是直接附属于图像传感器。
第一代人工智能图像传感器可能不会被集成到平板电脑和智能手机等消费设备中。汉森表示,该技术可能应用在亚马逊(Amazon)的出纳员“Go”商店中。
索尼将针对零售商和工业客户。亚马逊(Amazon's Go)商店使用的人工智能相机被零售商用来追踪购物者,并为他们从摄像机捕获的架子上抢购的物品收取费用。
人工智能图像传感器不仅可以节省成本,而且可以提供隐私的好处。如果直接在图像传感器的后部输入芯片,则目标检测可以在设备上完成。
图像传感器本身将提供基本的人工智能分析,并简单地生成元数据,而不是将数据发送到云或附近处理器上进行分析。
IMX500能够在仅3.1毫秒内将标准图像识别算法(Mobile Net V1)应用于单个视频帧,这使得它比其他AI相机更快。
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