一種像素分裂與合并的cmos圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種像素分裂與合并的CMOS圖像傳感器，包括多個像素單元，每一像素單元包括多個像素，每一像素由N個子像素組成；每一個子像素包括一光電二極管及傳輸管；每一讀出電路包括懸浮節點、復位管、源跟隨器和行選通管；所述像素的N個光電二極管分別通過所述傳輸管連接至該像素對應相連的讀出電路的源跟隨器柵極，所述傳輸管根據控制單元發出的控制信號導通或截止以，使讀出電路讀出該像素的N個子像素的合并輸出信號或分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號。本實用新型的優點在于圖像傳感器能夠在分裂、合并模式下切換，以滿足不同需求，應用范圍更廣。
【專利說明】—種像素分裂與合并的CMOS圖像傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及圖像傳感器領域，特別涉及一種像素分裂與合并的CMOS圖像傳感器。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器是組成數字攝像頭的重要組成部分。根據元件的不同，可分為CCD (Charge Coupled Device,電荷稱合兀件)和 CMOS (Complementary Metal-OxideSemiconductor,金屬氧化物半導體元件)兩大類。CMOS傳感器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素尺寸。
[0003]其中，CMOS圖像傳感器重要的性能指標之一的像素靈敏度主要由填充因子(感光面積與整個像素面積之比)與量子效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數量)的乘積來決定。在CMOS圖像傳感器中，為了實現堪與CCD轉換器相媲美的噪聲指標和靈敏度水平，在CMOS圖像傳感器中應用了有源像素。如何使得有源像素實現更加高的靈敏度和動態范圍是CMOS圖像傳感器領域的一個重要課題。
[0004]傳統的CMOS圖像傳感器采用的前感光式(FSI,Front Side Illumination)技術，即前照技術。前照技術的主要特點是在硅片正面按順序制作感光二極管、金屬互聯以及光管孔。其優點是:工藝簡單，與CMOS工藝完全兼容；成本較低；導光管(Light pipe)填充材料折射率可調；有利于提聞入射光的透射率，減少串擾等。
[0005]隨著像素尺寸的變小，提高填充因子所來越困難，目前另一種技術是從傳統的前感光式變為背部感光式(BSI, Back Side Illumination),即背照技術。背照技術的主要特點是首先在硅片正面按順序制作感光二極管、金屬互聯，然后對硅片背面進行減薄(通常需要減薄至20um以下)，并通過對于背部感光式CMOS傳感器最重要的硅通孔技術將感光二極管進行互聯引出。由于互聯電路置于背部，前部全部留給光電二極管，這樣就實現了盡可能大的填充因子。硅通孔技術的優點是照射到感光二極管的入射光不受金屬互連影響，靈敏度較高，填充因子較高。然而，硅通孔技術難度較高，對設備的要求較高，其成本也相對較高。而且由于對于超薄硅片的減薄工藝的限制，通常背照技術應用于小像素的圖像傳感器中(目前應用于智能手機的中小像素攝像頭普遍采用背照技術)。
[0006]一般來說，對于一個像素單元來說，如果該像素單元的面積越大，則對應更加優秀的靈敏度和動態范圍。在目前的單反、微單、高清監控等高端CMOS圖像傳感器的應用領域中，通常采用具有較大像素的前照技術來實現。另一方面，為了使圖像傳感器的尺寸變小，設計人員通常希望采用更加小的像素單元。因此，上述兩方面的需求就形成了一對矛盾。
[0007]因此，有必要提出一種CMOS圖像傳感器以解決上述矛盾。
實用新型內容
[0008]本實用新型的主要目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種基于像素分裂的CMOS圖像傳感器，可根據需求控制像素單元的合并與分裂，以切換CMOS圖像傳感器的分辨率。[0009]為達成上述目的，本實用新型提供一種CMOS圖像傳感器，包括多個像素單元，每一所述像素單元包括:多個像素，每一所述像素由N個子像素組成；每一個所述子像素包括一光電二極管及與其相連的傳輸管；多個讀出電路，與所述像素 對應相連，每一所述讀出電路包括懸浮節點、復位管、源跟隨器和行選通管，所述源跟隨器的柵極、所述復位管的源極以及各所述傳輸管的漏極連接于所述懸浮節點；所述像素的N個光電二極管分別通過所述傳輸管連接至該像素對應的讀出電路的源跟隨器柵極，所述傳輸管根據控制信號開啟或關閉，以使所述讀出電路讀出該像素的N個子像素的合并輸出信號或分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號，其中N為大于等于2的正整數；以及控制單元，發出所述控制信號。
[0010]優選的，所述控制信號控制該像素的N個子像素的傳輸管全部導通，以使所述讀出電路讀出該像素的N個子像素的合并輸出信號；所述控制信號控制該像素的N個子像素的傳輸管依次導通，以使所述讀出電路分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號。
[0011]優選的，當所述讀出電路分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號時，該讀出電路讀出其中一個子像素的輸出信號后，通過所述復位管對該讀出電路的懸浮節點進行電荷清空和復位，再進行下一子像素輸出信號的讀取。
[0012]優選的，當所述讀出電路分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號時，所述控制信號控制將被讀取的子像素的傳輸管導通，其余N-1個子像素的傳輸管截止。
[0013]優選的，每一所述像素單元包括四個像素，且排列為拜耳分布。
[0014]優選的，所述N個子像素排列為正方形，N為4。
[0015]優選的，所述控制單元開啟所述行選通管以選中所述像素單元的其中一個像素，其后發出控制信號使得該像素的N個子像素的信號合并輸出或分別依次輸出，并關閉該像素對應的行選通管。
[0016]優選的，所述控制單元發出第一控制信號以使該像素的N個子像素的信號合并輸出，其中所述控制單元開啟該像素對應的讀出電路的復位管，以對所述懸浮節點的電荷進行清空和復位；其后關閉所述復位管，并導通該像素的N個子像素的傳輸管，以使所述N個子像素的輸出信號輸出至所述懸浮節點。
[0017]優選的，所述控制單元關閉所述復位管至所述控制單元導通該像素的N個子像素的傳輸管的時間間隔為Ius?32us ;所述復位管開啟時間為Ius?64us ;所述傳輸管導通時間為Ius?64us。
[0018]優選的，所述控制單元發出第二控制信號以使該像素的N個子像素的信號分別依次輸出，其中，所述控制單元在開啟該像素對應的讀出電路的復位管以對所述懸浮節點的電荷進行清空和復位后關閉所述復位管，并導通該像素其中一個個子像素的傳輸管，以使該子像素的輸出信號輸出至所述懸浮節點。
[0019]優選的，所述控制單元關閉所述復位管至導通該像素的其中一個子像素的傳輸管的時間間隔為Ius?32us ;所述控制單元導通該像素的其中一個子像素的傳輸管后至所述控制單元再次開啟該像素對應的讀出電路的復位管的時間間隔為5?40us ;所述復位管開啟時間為Ius?64us ;所述子像素的傳輸管導通時間為Ius?64us。
[0020]本實用新型的優點在于CMOS圖像傳感器能夠依據特定條件或需求，調節圖像傳感器的分辨率，通過分裂、合并圖像傳感器的像素實現不同條件下圖像質量的優化，并且使得此圖像傳感器更加智能，應用范圍更廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1所示為本實用新型一實施例的圖像傳感器的像素分布示意圖；
[0022]圖2所示為本實用新型一實施例的圖像傳感器的一個像素的電路示意圖；
[0023]圖3所示為本實用新型一實施例的圖像傳感器分裂模式下的信號讀取時序圖；
[0024]圖4所示為本實用新型一實施例的圖像傳感器合并模式下的信號讀取時序圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本實用新型的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本實用新型的內容作進一步說明。當然本實用新型并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本實用新型的保護范圍內。
[0026]圖2是本實用新型的CMOS圖像傳感器的像素分布示意圖。
[0027]如圖2所示，CMOS圖像傳感器包括多個像素單元100，每一個像素單元100包括多個像素。在本實施例中，每一個像素單元由4個像素組成，這4個像素成拜耳分布。其中每一個像素又由4個子像素組成，這4個子像素形成正方形。具體來說，4個紅色子像素R1，R2，R3，R4組成位于像素單元左上角的紅色像素，4個第一綠色子像素Gl，G2，G3，G4組成位于像素單元100右上角的第一綠色像素，4個第二綠色子像素G5，G6，G7，G8組成位于像素單元100左下角的第二綠色像素，而4個藍色子像素BI，B2，B3, B4組成位于像素單元右下角的藍色像素。當然，在其他實施例中，每一個像素單元100所包含的像素個數可不限于4個，這些像素的分布也并不限于拜耳分布。此外，每個像素所包含的子像素個數也不限于4個，呈正方形分布。
[0028]然后，請參照圖2，其所示為CMOS圖像傳感器一個像素的電路示意圖。如前所述，在本實施例中，每個像素由4個子像素組成，每個子像素包括光電二極管和與其相連的傳輸管。每個像素與一個讀出電路對應相連。光電二極管將子像素獲取的光信號轉換為模擬信號，該模擬信號通過傳輸管輸出至讀出電路。每個讀出電路包括懸浮節點P、復位管M3、源跟隨器M2和行選通管Ml。源跟隨器M2的柵極、復位管M3的源極以及各傳輸管M4的漏極連接于懸浮節點P，源跟隨器M2的源極與行選通管Ml的漏極相連。復位管M3的漏極和源跟隨器M2的漏極接電源。行選通管Ml的柵極由行選信號ROW控制，當行選信號ROW置高時，選中其對應的像素；源跟隨器M2將像素輸出的信號從其柵極傳輸到源極；復位管M3柵極由復位信號RX控制，在復位信號RX置高時將懸浮節點P點拉高至VDD，從而對懸浮節點P的電荷進行清空和復位。其中，行選信號ROW及復位信號RX也可由控制單元發出。
[0029]如圖所示，4個子像素roi，PD2, PD3, PD4的傳輸管M4，M5，M6，M7并聯連接至讀出電路的源跟隨器M2柵極，共用同一個懸浮節點P。這些傳輸管可根據控制單元發出的控制信號(TX1，TX2，TX3，TX4)導通或截止，以合并輸出4個子像素的模擬信號或分別依次輸出4個子像素的模擬信號，從而使得讀出電路讀出其對應像素的所有子像素的合并輸出信號或分別依次讀出其對應像素的全部子像素的輸出信號。當讀出電路分別依次讀出的對應像素的每個子像素的輸出信號時，CMOS圖像傳感器切換到分裂模式，具有更高的像素數和分辨率，適合于例如強光環境。當讀出電路讀出的是對應像素的子像素的合并輸出信號時，圖像傳感器切換到合并模式，在該合并模式下，雖然每一讀出電路所讀取的像素信號數量為分裂模式下的四分之一，造成分辨率的下降，但其信號強度是分裂模式下的四倍，具有更加優秀的動態范圍和靈敏度。控制單元可根據實際需求，發出控制信號以使圖像傳感器切換至適當的模式。例如，在一實施例中，可將CMOS圖像傳感器用作汽車攝像頭，并根據不同環境光強度條件進行像素切換。控制單元可將圖像傳感器接收的環境光強度與設定的閾值進行比較，當汽車行駛于白天強光下時，由于室外光線充足，環境光強度要大于設定的閾值，由此控制單元發出控制信號，使得每一個像素中傳輸管M4，M5，M6，M7依次打開，且其中一個傳輸管處于打開狀態時其余傳輸管均關閉，由此讀出電路可依次讀出子像素roi，ro2，PD3，PD4的信號，則此時圖像傳感器切換到分裂模式，具有更高的像素數和分辨率。而當汽車行駛至隧道或地下車庫，或者在陰天、晚間情況下行駛時，由于環境光線強度較弱，小于設定的閾值，此時控制單元發出另一控制信號使得每一個像素中傳輸管M4，M5，M6，M7全部同時打開，由此讀出電路讀出HH，PD2, PD3, PD4的合并信號。如此一來，圖像傳感器切換到合并模式，在該合并模式下，信號強度增強，因此在弱光下具有非常好的圖像表現力。在另一實施例中，CMOS圖像傳感器也可用作門禁系統的監控攝像頭，當其獲取的實時圖像信息包含人像信息，即說明有人員經過時，控制單元發出控制信號，使得每一個像素中傳輸管M4，M6，M7，M8依次打開，且其中一個傳輸管處于打開狀態時其余傳輸管均關閉，由此讀出電路可依次讀出HH，PD2, PD3, PD4的信號，則此時圖像傳感器切換到分裂模式，更加有利于對人員影像細節的捕捉和記錄。當無人員通過監控攝像頭時，不需要通過高像素分辨率的攝像頭進行監控，此時控制單元發出另一控制信號使得每一個像素中傳輸管M4，M5，M6，M7全部同時打開，由此讀出電路讀出HH，PD2, PD3, PD4的合并信號。如此一來，圖像傳感器切換到合并模式，在該合并模式下，節省了無人員通過時系統存儲容量的負擔，可以較小的數據率存儲監控視頻。其中，對于圖像傳感器模式切換的判定，及控制信號的輸出可通過片外數字信號處理器或片上圖像處理電路等硬件來完成。此外，控制單元也可以由外部信號的觸發(如按鈕觸發)發出控制信號，使圖像傳感器在分裂模式與合并模式間切換。
[0030]接下來，將詳細說明圖像傳感器在分裂模式和合并模式時的模擬信號讀出過程。
[0031]請參考圖3，其所示為本實用新型一實施例的圖像傳感器在分裂模式下的信號讀取時序圖。在本實施例中，行選信號ROW、復位信號RX以及傳輸管M4，M5，M6，M7的柵極信號TXl，TX2，TX3，TX4均由控制單元產生。
[0032]當CMOS圖像傳感器曝光完畢，某一像素中ro1、PD2, PD3, PD4都存儲好光電信號后，控制單元將該像素對應讀出電路的行選通管Ml的柵極ROW信號設高電平，該像素被選中，開始分別一一讀取ro1、ro2、ro3、ro4中存儲的信號:
[0033]在Tl時間段內，首先，控制單元將復位管M3的柵極信號RX上升至高電平，復位管M3導通，使得懸浮節點P點與電源電壓VDD相連，對P點電荷進行清空和復位，然后將RX信號置為低電平，復位管M3關閉。之后控制單元將傳輸管M4的柵極信號TXl置為高電平，傳輸管M4導通且其余傳輸管截止，此時PDl的信號被傳輸至懸浮節點P點而被讀出電路所讀取，并經源跟隨器M2和行選通管Ml從讀出電路輸出；
[0034]接著，在T2時間段內，當讀取TO2的信號前，控制單元控制復位管M3的柵極信號RX再一次拉到高電平，對P點電荷進行清空和復位，然后RX信號置為低電平，再將傳輸管M5的柵極信號置為高電平，傳輸管M5導通且其余傳輸管截止，此時PD2的信號被傳輸至懸浮節點P點而被讀出電路所讀取，并由源跟隨器M2和行選通管Ml從讀出電路輸出；
[0035]在T3時間段內，當讀取PD3的信號前，控制單元控制復位管M3的柵極信號RX再一次拉到高電平，對P點電荷進行清空和復位，然后RX信號置為低電平，再將傳輸管M6的柵極信號置為高電平，傳輸管M6導通且其余傳輸管截止，此時PD3的信號被傳輸至懸浮節點P點而被讀出電路所讀取，并由源跟隨器M2和行選通管Ml從讀出電路輸出；
[0036]同樣的，在T4時間段內，讀取Η)4的信號前，控制單元控制復位管M3的柵極信號RX再一次拉到高電平時，對P點電荷進行清空和復位，然后RX信號置為低電平，再將傳輸管M7的柵極信號置為高電平，傳輸管M7導通且其余傳輸管截止，此時TO4的信號被傳輸至懸浮節點P點而被讀出電路所讀取，并由源跟隨器M2和行選通管Ml從讀出電路輸出。
[0037]在ro1、PD2、PD3、PD4信號依次讀取結束以后，控制單元控制將行選ROW信號置為低電平，最終在Tl至T4時間段內完成該像素的信號的讀取。
[0038]其中，在每一個時間段(T1/T2/T3/T4)進行每一次子像素讀取前，復位信號RX置于高電平的時間為Ius~64us,優選5us ;每一個傳輸管導通也即是傳輸管柵極信號(TXl/TX2/TX3/TX4)置于高電平的時間為Ius~64us，優選6us ；P點電荷進行清空和復位結束復位管關閉(復位信號RX下降沿)與開始子像素信號讀取(傳輸管柵極信號TX1/TX2/TX3/TX4上升沿)的時間間隔為Ius~32us，優選6us，而該子像素信號讀取結束(傳輸管柵極信號TX1/TX2/TX3下降沿)至下一個時間段復位管再次開啟P點電荷重新進行清空和復位(下一復位信號RX上升沿)的時間間隔為5~40us，優選20us。
[0039]像素選中后(ROW上升沿)至開始首次懸浮節點電荷清空和復位(第一個RX信號上升沿)的時間間隔為Ius~5us，優選2us ;而最后一個子像素信號讀取結束(傳輸管柵極信號TX4下降沿)至停止選中該像素行選通管關閉(ROW下降沿)的時間間隔為5~40us，優選 20us。
[0040]請參考圖4，其所示為本`實用新型一實施例的圖像傳感器在合并模式下的信號讀取時序圖。
[0041]此時，4個子像素^)1、^)2、1^3、？04合并成為I個像素PDO使用。
[0042]當CMOS圖像傳感器曝光完畢，PDO (PDU PD2, PD3, PD4)存儲好光電信號后，將該像素對應讀出電路的行選通管Ml的柵極ROW信號設高電平，該像素被選中，開始讀取roo(PD1、PD2、PD3、PD4)中存儲的信號:
[0043]首先，控制單元控制將復位管M3的柵極信號RX上升至高電平，復位管M3導通，使得懸浮節點P點與電源電壓VDD相連，對P點電荷進行清空和復位，然后將RX信號置為低電平，復位管關閉。之后將傳輸管M4、M5、M6、M7的柵極信號TX1、TX2、TX3、TX4同時置為高電平，4個傳輸管全部導通，此時TOO (PD1、PD2、PD3、PD4)的信號被傳輸至懸浮節點P點而被讀出電路所讀取，并由源跟隨器M2和行選通管Ml從讀出電路輸出；
[0044]完成roo (ro1、ro2、ro3、ro4)信號讀取過程以后，控制單元控制將行選row信號置為低電平，由此在Tl時間段內完成該像素的信號的讀取。
[0045]其中，像素選中后(ROW上升沿)至懸浮節點電荷清空和復位(RX信號上升沿)的時間間隔為Ius~5us,優選2us ;在進行信號讀取前,復位信號RX置于高電平的時間為Ius~64us，優選5us ；P點電荷進行清空和復位結束(復位信號RX下降沿)與開始各子像素信號讀取(傳輸管柵極信號TXl、TX2、TX3、TX4上升沿)的時間間隔為Ius~32us，優選6us ;各子像素信號讀取也即是傳輸管柵極信號(TX1、TX2、TX3、TX4)同時置于高電平的時間為Ius?64us，優選6us ;而各子像素信號讀取結束(傳輸管柵極信號TXl、ΤΧ2、ΤΧ3、ΤΧ4下降沿)至行選通管關閉(ROW下降沿)的時間間隔為5?40us，優選20us。
[0046]綜上所述，本實用新型的CMOS圖像傳感器能夠在分裂模式和合并模式間切換，以相應調節圖像傳感器的分辨率，以滿足不同條件下圖像質量的需求，應用范圍更為廣泛。
[0047]雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本實用新型，本領域的技術人員在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本實用新型所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。
【權利要求】
1.一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，包括: 多個像素單元，其中每一所述像素單元包括: 多個像素，每一所述像素由N個子像素組成；每一個所述子像素包括一光電二極管及與其相連的傳輸管；以及 多個讀出電路，與所述像素一一對應相連，每一所述讀出電路包括懸浮節點、復位管、源跟隨器和行選通管，所述源跟隨器的柵極、所述復位管的源極以及各所述傳輸管的漏極連接于所述懸浮節點；所述像素的N個光電二極管分別通過所述傳輸管連接至該像素對應的讀出電路的源跟隨器柵極，所述傳輸管根據控制信號開啟或關閉，以使所述讀出電路讀出該像素的N個子像素的合并輸出信號或分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號，其中N為大于等于2的正整數；以及 控制單元，發出所述控制信號。
2.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述控制信號控制該像素的N個子像素的傳輸管全部導通，以使所述讀出電路讀出該像素的N個子像素的合并輸出信號；所述控制信 號控制該像素的N個子像素的傳輸管依次導通，以使所述讀出電路分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號。
3.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，當所述讀出電路分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號時，該讀出電路讀出其中一個子像素的輸出信號后，通過所述復位管對該讀出電路的懸浮節點進行電荷清空和復位，再進行下一子像素輸出信號的讀取。
4.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，當所述讀出電路分別依次讀出該像素的N個子像素的輸出信號時，所述控制信號控制將被讀取的子像素的傳輸管導通，其余N-1個子像素的傳輸管截止。
5.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，每一所述像素單元包括四個像素，且排列為拜耳分布。
6.根據權利要求1或5所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述N個子像素排列為正方形，N為4。
7.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述控制單元開啟所述行選通管以選中所述像素單元的其中一個像素，其后發出控制信號使得該像素的N個子像素的信號合并輸出或分別依次輸出，并關閉該像素對應的行選通管。
8.根據權利要求7所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述控制單元發出第一控制信號以使該像素的N個子像素的信號合并輸出，其中所述控制單元開啟該像素對應的讀出電路的復位管，以對所述懸浮節點的電荷進行清空和復位；其后關閉所述復位管，并導通該像素的N個子像素的傳輸管，以使所述N個子像素的輸出信號輸出至所述懸浮節點。
9.根據權利要求8所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述控制單元關閉所述復位管至所述控制單元導通該像素的N個子像素的傳輸管的時間間隔為Ius~32us ;所述復位管開啟時間為Ius~64us ;所述傳輸管導通時間為Ius~64us。
10.根據權利要求7所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述控制單元發出第二控制信號以使該像素的N個子像素的信號分別依次輸出，其中，所述控制單元在開啟該像素對應的讀出電路的復位管以對所述懸浮節點的電荷進行清空和復位后關閉所述復位管，并導通該像素其中一個個子像素的傳輸管，以使該子像素的輸出信號輸出至所述懸浮節點。
11.根據權利要求10所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述控制單元關閉所述復位管至導通該像素的其中一個子像素的傳輸管的時間間隔為Ius~32us ;所述控制單元導通該像素的其中一個子像素的傳輸管后至所述控制單元再次開啟該像素對應的讀出電路的復位管的時間間隔為5~40us ;所述復位管開啟時間為Ius~64us ;所述子像素的傳輸管導通時間為Ius~64us。
【文檔編號】H04N5/374GK203504673SQ201320682968
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】李琛, 顧學強 申請人:上海集成電路研發中心有限公司