介绍完CCD后，本篇则将继续介绍影像传感器另一发展主流--CMOS。到目前为止，CMOS影像传感器仍属新兴的光电产品，市场不大，但成长率却相当惊人。根据In-Stat的数据，2000年全球CMOS市场量大约是1475万个，比1999年的635万个成长了132%，未来二、三年内由于应用领域扩大，市场将持续高度成长，到2003年市场量大约是7800万个，其复合年成长率也将超过七成。

CMOS影像传感器发展现况

CMOS(Complementary MOS)影像传感器也是由数组式的感光画素构成，画素结构可为MOS电容或是p-n Junction的感光二极管，以MOS电容为感光画素的称为「Photogate型」，而以二极管为感光组件的CMOS称为「Photodiode型」。由于Photgate会吸收蓝光，因此目前的CMOS发展以Photodiode型为主流。CMOS影像传感器的特点是，在每一个画素上除了感光部份外，还包含由N-type及P-type的MOS晶体管构成的电路，使各画素感光所累积的电荷讯号能够跟DRAM一样，用行列式的电极随机读取(Random Access)。

Passive Pixel及Active Pixel：

依画素上电路复杂程度不同，CMOS影像传感器又有Passive Pixel及Active Pixel之分。主要的差别在于Passive Pixel的电路，是由单个晶体管构成列的选择开关，让位于每一行末端的放大器能够读取行、列交会处的画素所积存的电子讯号；Passive Pixel的优点是电路单纯，不会占掉太多感光面积而影响到传感器的灵敏度(Sensitivity)，缺点则是讯号输出线路阻抗高，容易产生随机噪声(Random Noise)，使影像质量不佳。

Active Pixel画素上的电路是由二个或二个以上的晶体管构成具有放大功能的放大器。电荷讯号在画素所在的地方，即被放大器转换成电压讯号，同时被放大后输出至传感器外部。Active Pixel的设计解决了随机噪声的问题，不过由于放大器的线路会占掉画素的感光面积，使传感器的灵敏度降低；另外，画素上的放大器特性不容易做得每个都一致，因此会产生所谓的固定图案噪声(Fixed Pattern Noise)，使撷取到的影像有如透过肮脏窗户所看到的景物一般。

次微米制程技术造就CMOS：

以CMOS为影像传感器的构想，早在1968年便被提出来了，不过当时由于光刻蚀(Photolithography)技术未成熟，并未开发出有实用价值的传感器，直到1990年代初期次微米半导体制程技术成熟，才又使CMOS影像传感器成为注目的焦点。

《图一 全球CMOS影像传感器市场》

以2μm的制程为例，采用Passive Pixels的设计，虽然在13.5x13.5μm的画素上可得到54%的开口率，但是随机噪声使影像质量不佳的问题却无法克服。若采用Active Pixel的设计，则因为放大器的晶体管线路占掉太多的感光面积，影响到传感器的灵敏度。

近几年来，由于次微米半导体制程技术的发展，使Active Pixel CMOS影像传感器的开口率及灵敏度得以提高；目前使用0.5μm的CMOS技术，已可做到8x8μm大小的画素，开口率为30%，这样的规格已跟Inter-line的CCD已经很接近了。加上固定图案噪声修正电路(或特殊的半导体电路设计)的开发，固定图案噪声的问题已获得解决。Active Pixel的CMOS传感器的性能如噪声、动态范围、均匀度等，都能与CCD相比拟。美、日、韩等国的研究单位正努力从事Active Pixels的研发，并已有成果。

《图二 CMOS传感器构造》

CMOS影像传感器与CCD之比较

CMOS影像传感器与CCD最大的不同，在于所使用的制程及设备。由于CCD的讯号须一行一行的读出，离输出放大器较远的画素，电荷必须经过多次的传递才能被读出，因此在制作CCD时，必须使每个画素都完美无缺，否则某一列的讯号便无法完整的读出；另外，每次电荷传递必须非常的干净，即电荷传递效率要非常的高，否则因电荷的屯积而造成影像的smear。

因此CCD虽然是以硅芯片为材料，但必须发展特殊的制程技术，以确保高画素的良率及高电荷传输效率，所以CCD的制造需累积相当的经验，制造商也必须各自发展其特有的制程技术，因而形成市场由少数厂商所拢断的局面。

CMOS影像传感器的制作，则跟DRAM类似，使用一般的半导体制程技术与设备即可，开发CMOS影像传感器的厂商，不必自备昂贵的半导体制程设备，只须将CMOS线路设计好，请半导体厂代工即可，在开发及制造成本上很具竞争力。除了在开发及制造成本上具竞争力外，CMOS还有以下的优点:

系统整合性：

由于CMOS影像传感器，是使用标准的半导体制程制作，因此可将传感器所需的外围电路(如timing、control、multiplexer、A/D转换、影像压缩、计算机接口等)，一起制作在一片硅芯片上，甚至可将相机所有的电路，整合在单一个芯片上，制成所谓的”单芯片相机(Camera on a chip)”，不但可降低系统的成本及组装所需的时间，亦可缩小系统的体积及复杂度。

《图三 CMOS技术演进 》 数据源：NIKKEI ELECTRONICS

低消耗功率：

CCD画素为MOS电容构成的，读取电荷讯号时需要使用电压相当大(5-15V)的时序(clock)信号，才能有效地达到电荷传递的功能，因此使用CCD的取像系统，除了要有多个电源外，CCD的外围电路也会消耗相当大的功率。CMOS传感器则只需要单一个5V(或3.3V)电源，能大幅提高电源的使用效率。典型的CCD取像系统须消耗2-5 W的功率，而有些使用CMOS的取像系统则只须消耗20-50 mW的功率。

区域读取：

CMOS影像传感器各画素感光所产生电荷后，随即由画素上的放大器转换成电压的讯号，此讯号可用行、列式的电极读出，因此可以选择随机读取传感器上任何区域的讯号，可增加取像的灵活性。CCD影像传感器则无此功能。

Anti-blooming：

CCD的Blooming是指某个画素受到强光照射时，因电位井内积存的电荷饱和而扩散到邻近画素的现象，CMOS影像传感器画素之间各自独立，不会发生blooming的现象。

高Frame Rate：

CMOS传感器的行、列电极可以被高速地驱动，加上在同一芯片上做A/D转换，影像讯号可以快速地取出，因此可在相当高的Frame Rate下运作，有些设计用来做机器视觉应用的CMOS，声称高达每秒1000个画面的Frame Rate。

智能型画素：

Active Pixel CMOS画素上的电路除了基本的讯号转换及放大功能外，还可以将一些简单的图像处理功能如边缘辨识(Edge Detection)、移动侦测(Motion Detection)等做在电路 堙A构成所谓的智能型画素，可简化系统结构及增加信号处理的速度。

跟CCD比起来，CMOS的主要缺点为噪声高及灵敏度低，噪声的问题可用Active pixel设计及噪声补正线路加以降低，已有厂商声称所开发出来的技术，影像质量已不比CCD差；灵敏度低是因为画素部份面积，须被用来制作放大器的线路，在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制程技术，否则为了维持相当水平的灵敏度，传感器分辨率不能做得太高(反过来说，固定分辨率的传感器，芯片尺寸无法做得太小)，因此在超高分辨率(数百万画素以上)及高灵敏度方面的应用，CCD仍将是较佳的选择。

《表一 CCD与CMOS/APS特性比较》

CMOS影像传感器应用分析

CMOS影像传感器的发展跟其它新兴的产品一样，发展初期质量不佳，只被应用在低阶的产品上，由于市场的需求，促使厂商改善技术提升质量，进而拓展新的应用领域，扩大市场规模。

目前已商业化的CMOS影像传感器，所撷取的影像虽然质量不是很好(噪声大、分辨率低，动态范围小)，但由于制作简单、价格低廉，因此大都被用在影像质量要求不高，但具成本压力的产品上，例如安全监视、玩具、门禁(Door Phone)等。未来CMOS在此类应用的市场继续成长，并拓展新的应用。

近年来由于多媒体计算机及因特网的蓬勃发展，视频会议、影像电话、视讯通信(Video E-mail)、PC Camera等多媒体应用纷纷兴起，此类应用对影像质量的要求不是很高，但却必须是低成本、低耗电及轻、薄、短、小，这些要求正好与CMOS的特性相符，因此视频会议、影像电话等多媒体视讯传输应用可说是CMOS影像传感器应用的下一波。

数字相机及数字摄影机的应用，对影像质量要求较高，CMOS的影像质量无法满足此类应用的需求，但是由于数字相机及数字摄影机应用市场相当庞大，因此吸引不少厂商投入开发高画素的CMOS，目前已有Motorola及Kodak开发出1.3Mega pixel数字相机等级的传感器。

CMOS影像传感器发展趋势

CMOS影像传感器未来的发展，除了提高画质以拓展其应用领域外，将朝低单价及高附加价值两个方向发展；一方面将传感器与外围电路整合成为单芯片，以小体积、低成本、低消耗电力、单一电源等优势，扩大在行动影像通讯设备(如笔记本电脑、PDA、PHS等)应用市场的占有率；另一个发展方向，则是结合感光与图像处理或辨识的功能，使CMOS影像传感器成为高附加价值的智能型传感器，应用在一些较特殊的用途上，如机器视觉、指纹辨识、动态检测等。

目前从事开发或制造CMOS影像传感器的厂商规模大、小都有，最先投入的以欧、美厂商居多，而且不是刚起步的公司，便是中小企业，这是因为CMOS影像传感器的制作，使用典型的半导体制程及设备，只须要懂得传感器的设计，实际生产可请半导体厂代工，使小型公司亦有机会与CCD大厂在影像传感器的领域一争长短。

结语

虽然CCD的技术已相当成熟，但是切入的技术障碍却相当高，我国厂商并无技术跨入此门坎。不过CMOS影像传感器的兴起，给了我国一个重新建立面型影像传感器产业的机会；由于CMOS影像传感器的制作使用典型的半导体制程，使我国发达的半导体工业，成为发展CMOS影像传感器的有利条件之一，加上初期的CMOS影像传感器可用在计算机信息产品(我国另一颇具竞争力的产业)上，等技术成熟后，再发展高阶的产品，十分值得政府研究单位或厂商投入研发。

不过在往后发展的过程上，仍将面临日本及欧美大厂的激烈竞争；尤其是日本大厂，利用长期发展CCD的经验，投入CMOS影像传感器的研发工作，使其开发过程更为缩短，这些都是我国产业未来需面对的挑战。