具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感器芯片的制作方法

專利名稱：具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感器芯片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于掃瞄及數字化文件的接觸式圖像傳感(contact imagesensor，CIS)系統領域，特別涉及一種具線轉移及像素讀出(1ine transfer and pixelreadout，LTPR)結構的接觸式圖像傳感芯片。
掃瞄及數字化文件所要求的技術已經出現近二十年，早期的掃瞄裝置是由電荷耦合裝置或自我掃瞄光電二極管陣列(或金氧半導體(metal-oxide-semiconductor，MOS))所組成，接觸式圖像傳感系統利用桿狀透鏡系統取代所有的光學系統來改善這些裝置，這種安排可縮短圖像傳感器及待掃瞄文件間的距離，剩下大約2公分。

圖1為傳統接觸式圖像傳感系統的示意圖，這個系統包括三個主要元件(1)發光二極管(light emitted diode，LED)光源陣列1、(2)桿狀透鏡陣列3、(3)長形圖像傳感陣列4。發光二極管光源陣列1照射文件2，反射的光線通過玻璃罩7到達桿狀透鏡陣列3，桿狀透鏡陣列3是由一排的玻璃棒所構成，每一根玻璃棒會覆蓋到差不多16個光電檢波器4b，桿狀透鏡陣列3將反射的圖像聚焦至圖像傳感陣列4，圖像傳感陣列4是由數個圖像傳感光電元件4a所組成，每一個圖像傳感光電元件4a都包含若干光電檢波器4b，圖像傳感陣列4原則上是設置在能夠將圖像轉換成電子訊號的并合圖像傳感板5上。
所有的元件和光學路徑都被并入一個小型的模塊，稱做接觸式圖像傳感模塊6，圖2就是其截面圖。除了上述的元件以外，接觸式圖像傳感模塊6還包括一輸出線路8和塑膠殼9，輸出線路8會將并合圖像傳感板5產生的訊號傳輸到外部電路，塑膠殼9內則放置所有上述元件而組成一小型模塊。
有關這個系統我們可以舉一例子，就是饋紙式圖像掃瞄裝置，如傳真機，接觸式圖像傳感模塊6(包括玻璃罩7)相對于滾輪10被固定住，文件2被夾入滾輪10和玻璃罩7而與滾輪10和玻璃罩7接觸，當步進馬達10a使滾輪10轉動，滾輪10會推進文件2直到文件2的第一條線進入接觸式圖像傳感模塊6的讀取區，然后打開光源陣列1，反射式文件的光學訊號會被聚焦至連續的光學元件4a上，這些光電元件4a將光學訊號轉換成電荷或電壓形式的電子訊號，并將其儲存在相關的持留電容器中。
接著，接觸式圖像傳感模塊6整合文件2的第一條線，在接觸式圖像傳感模塊6讀出了文件2的第一條線之后，接觸式圖像傳感模塊6會送出訊號給步進馬達10a，步進馬達10a在收到訊號后會開始驅動滾輪10，直到文件2的第二條線進入接觸式圖像傳感模塊6的讀取區，然后接觸式圖像傳感模塊6會讀取文件2的第二條線，這些步驟會一直重復直到讀取了文件上所有的線，然后步進馬達10a最后一次推進文件2，將文件2從滾輪10及玻璃罩7間推出。
圖3為已有技術并合圖像傳感板5的電路圖，并合圖像傳感板5是一個長形印刷電路板，包括了數個硅接觸式圖像傳感芯片11，在單一基板上頭尾對接成一直線排列，相鄰的檢波器間的距離大致相等，傳感板5還包括周邊電路，周邊電路包括有訊號處理裝置12和運算放大器13，訊號處理裝置12可連續起動個別芯片，運算放大器13可以結合并放大接觸式圖像傳感芯片11產生的所有類比訊號。圖像傳感芯片11的數目是由掃瞄寬度所決定，如果用了27個芯片，所得到的總和寬度跟標準用紙寬度差不多，像A4紙張的寬度約8.5英寸。
并合圖像傳感板5產生類比圖像訊號輸出，訊號處理裝置12產生的兩個輸入脈沖觸發接觸式圖像傳感模塊6的操作，這兩個觸發輸入脈沖分別是起動脈沖φSP14和時鐘脈沖φCP15，如圖3所示，起動脈沖φSP14觸發第一芯片11產生輸入脈沖φIP16，第一芯片11還會產生結束脈沖φEP17，用以觸發第二芯片產生輸入脈沖φIP16，這個步驟會一直重復直到所有的芯片11都已被觸發，所有芯片11的時鐘脈沖φCP15輸入位置是接在一起的，所以大家的時鐘脈沖φCP15是同步的，圖像傳感板5產生的所有類比訊號都被結合在一起，然后由運算放大器13放大。
圖4為已有技術并合圖像傳感板5的時序圖，說明元件間的時序關系，起動步進馬達10a以推進文件2使下一條線定位、時鐘脈沖φCP15的傳輸、起動脈沖φSP14的傳輸、每一芯片11讀取文件2特定線的所需時間、讀出待掃瞄文件2中一條線所需要的時間、整合時間(即特定光電二極管在兩個連續讀出步驟之間的時間)等等。
圖5是說明使用光晶體管傳感元件4a的已知接觸式圖像傳感模塊6的功能的方塊圖(芯片的結構和功能在1994年3月29日公告的美國專利號5,299,013中有詳細說明)，圖像傳感芯片11包括一列的光晶體管傳感元件111、一列的多路轉換開關112、有n個相同階段113b的n階數字掃瞄移位寄存器113、內建緩沖器113a和實設芯片選擇器114。
操作時，起動脈沖觸發圖像傳感芯片11上的第一個實設光電元件111，這會連續起動第一光電元件111上的光電檢波器4b，當第一圖像傳感芯片11上最后一個光晶體管傳感元件111所產生的訊號已經被讀取后，就會產生結束掃瞄脈沖，好觸發下一個圖像傳感芯片，每一個多路轉換開關112會耦合一個光電元件111及輸出線路。
輸入脈沖φIP16依次觸發每一個光晶體管傳感元件111讀取文件2的特定線，輸入脈沖φIP16同時觸發產生時鐘脈沖φCP15，將輸入脈沖φIP16傳送到移位寄存器113的第一階段113b，然后起動實設芯片選擇器114，移位寄存器113的每一階段113b會一個接著一個開啟，移位寄存器113的每一個階段113b輸出端會與一個多路轉換開關112的控制輸入端連接，當一個多路轉換開關112被起動，就會將訊號傳輸至圖像線路115，當移位寄存器113的所有階段113b都已掃瞄過，移位寄存器113就會產生結束脈沖φEP17，結束脈沖φEP17中斷實設芯片選擇器114，顯示已經完成此芯片的掃瞄動作。在這個裝置里，讀出機制是利用圖像線路115內的電流流動來傳輸，光晶體管111將電子訊號轉移至圖像線路115，而圖像線路11則5同步從光晶體管111讀出電子訊號，這種轉移及讀取結構就是像素轉移及像素讀出(pixel transfer and pixel readout，PTPR)結構。
圖6為已有技術利用光電二極管傳感元件4a及微分電壓拾出(differentialvoltage pickoff)的圖像傳感芯片11的方塊圖(芯片的結構和功能在1998年3月3日公告的美國專利號5,724,094中有詳細說明)，移位寄存器113第n階113b的輸出會被傳輸到對應的第n個多路轉換開關117，然后傳輸到第n-1個重置晶體管118。開啟多路轉換開關117開始讀出機制，而開啟重置晶體管118則開始重置機制，這個裝置同步讀出第n個像素訊號并重置第n-1個像素訊號，電荷讀出及電荷轉移中間隔了一個時鐘脈沖周期，這種轉移及讀出結構是屬于另外一種像素轉移及像素讀出結構。
已有即時的困難處在于牽涉到圖像變形，圖像變形出現在接觸式圖像傳感模塊6利用像素轉移及像素讀出圖像傳感板5和固定光源進行圖像訊號輸出的像素讀出時(如使用于傳真機)，變形的出現起因于掃瞄文件上每一像素的整合時間不同，讀出之后，圖像訊號的每一個像素組合了從這條線及上一條線所得到的文件，除了討厭的變形之外，也會使垂直解析度從最佳值減少一半。
請參閱圖7A中已簡化的數字化文件，其中，原始的數字化文件上有四列方格，當文件的第一列放置在接觸式圖像傳感模塊的玻璃面上，第一傳感元件讀取文件上的第一像素，這時在第一像素18偵測不到訊號，因為光源還沒有照到第一像素18。讀出第一像素18之后，第一傳感元件整合第一像素18，此時，第二傳感元件讀取文件上的第二像素19，第二傳感元件的輸出端讀出文件上第二像素19的10％，讀出之后，第二傳感元件整合第二像素19，這個過程會一直重復到這一列的尾端。然后移動接觸式圖像傳感模塊使第二列就讀取位置，讀取文件上第二列的圖像訊號，接觸式圖像傳感模塊讀出第二列的第一像素20，這時，接觸式圖像傳感模塊上的第一傳感元件傳輸約100％的第一列第一像素18訊號，以及0％的第二列第一像素20訊號。同樣地，接觸式圖像傳感模塊上的第二傳感元件傳輸90％的第一列第二像素19訊號，以及10％的第二列第二像素21訊號，如此接觸式圖像傳感模塊的圖像訊號輸出已經被扭曲，因為每一像素的整合時間不同，整合時間內的訊號成分差異從0％到100％，接觸式圖像傳感模塊上的傳感元件已經傳輸了大量的前一列資訊，讀出之后，圖像訊號的每一像素包含一部份的當前列及一部份的前一列，圖7B顯示具有像素轉移及像素讀出結構的圖像傳感芯片所讀出的圖像文件，這個圖像文件包含部份的第n列圖像訊號及部份的第n-1列圖像訊號。
在已有技術中已知利用接觸式圖像傳感模塊6的頻閃燈光照射技術來避免這種問題，如這種技術已使用于彩色掃瞄器，但是掃描速度卻比不用這種技術減慢了一半，圖8為已有技術使用頻閃燈光照射的時序圖，閃光會被定時以一特定的頻率開關，只照射要取樣的特定線上像素，好讓接觸式圖像傳感模塊6不會如前述產生變形問題，然而，讀取一條線的掃瞄時間是整合時間22(包括打開光源陣列1)加上像素讀出時間23(包括關掉光源陣列1)的總和，在這種情況下，圖像文件不會扭曲變形，但是掃瞄速度會降低一半。
本發明的目的是為了克服現有圖像傳感芯片的缺點而體出的一種可以避免變形、降低垂直解析度、降低掃瞄速度等問題，而制造出一種將時鐘脈沖和運算放大器形成在單一芯片上、以減少必須的周邊電路的一種具有高訊號噪聲比、精確而靈敏的接觸式圖像傳感芯片。
實現本發明目的的技術方案是一種具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片，其中，包括一時鐘脈沖發生器，用于產生操作所述芯片所需的脈沖，該脈沖包括轉移脈沖φT、重置脈沖φR以及幀脈沖φF；一實設光電元件陣列，用于應答所述脈沖發生器所產生的脈沖，該實設光電元件陣列包括數個實設光電元件，該實設光電元件陣列用于將一光學訊號轉換成一電子訊號；一虛設元件陣列，其包括數個虛設元件，每一個虛設元件與對應的實設傳感元件的位置大致相同，該虛設元件陣列用于提供一光學黑階參考值；一遮蔽元件，以確保虛設元件無法接收到光線，而使虛設元件產生一參考輸出訊號；一輸出線路，用于將接觸式圖像傳感芯片所產生的訊號傳輸至一外部電路；以及一緩沖器，用于隔離所述芯片與外部電路，并驅動芯片的一圖像線路電容。
一種并合硅對接觸式圖像傳感板，其中，包括數個硅接觸式圖像傳感芯片，成一列頭尾對接在一基板上，使相鄰檢波器的間距大致相同。
本發明提供一種用于接觸式圖像傳感模塊的圖像傳感芯片，可以最佳速度精確地掃瞄文件，避免變形問題，還可保持最佳的垂直解析度。這個電路包括數個傳感光電元件及同樣數目的虛設元件，以提供基線訊號，運算放大器再結合虛設元件產生的訊號與實設光電元件產生的訊號，然后輸出一個已消除暗色固定圖樣噪聲及所有直流補償電壓的訊號。
本發明利用線轉移及像素讀出結構，用一排光電檢波器掃瞄文件的每一條線，接著產生一個訊號，其中每一條線的文件都被隔開，然后經由一排的轉移閘極將其一個接著一個平行轉移至光電檢波器的對應持留電容器。再，數字掃瞄移位寄存器讀出圖像訊號的一條線，在這個情況下，整合及讀出步驟是分開的，這種結構不只是提供更精確的文件及較高的垂直解析度，同時還能增加掃瞄速度，將芯片成一列頭對尾對接在單一基板上而制成一個接觸式圖像傳感板，相鄰的檢波器間距離大致相等，這種接觸式圖像傳感模塊具有較高的靈敏度、低重置噪聲及高訊號噪聲比。
虛設元件的功能與實設光電元件一樣，不過他們被阻擋元件遮住，所以無法接收光線，因此虛設傳感器的輸出不會隨著文件圖像的不同而改變，該虛設傳感器提供了一基線訊號，可以消除傳感器產生的暗色固定圖樣噪聲或直流補償電壓，這種消除輸出訊號噪聲是由運算放大器完成的，光學黑階參考值也有助于色彩重建，圖像傳感芯片內部產生兩個外部輸入時鐘脈沖(時鐘脈沖φCP15和輸入脈沖φIP16)以驅動其操作。
本發明的優點在于轉移閘極可以分開傳感元件和持留電容器，所以傳感元件可以整合訊號，而移位寄存器則同步讀出持留電容器內的前一訊號，因為所有的電荷都是平行轉移，所以精確度和垂直解析度都保持的很好，這種結構還可改善掃瞄速度。
本發明的另一優點是持留電容器的低電容值CH會增加裝置的靈敏度、降低重置噪聲、改善訊號噪聲比。
本發明的另一優點是所有必須的時鐘脈沖和運算放大器都可建立在同一芯片上，可減少必要的周邊電路。
本發明的另一優點是光學黑階參考有利于光電應答的線性，可促進精確的色彩重建。
本發明的另一優點在于虛設元件陣列和實設光電元件陣列的操作無關，可增進不同結構接觸式圖像傳感模塊的設計彈性。
為使更深入了解本發明的優點、性能、特征，現借由以下附圖及較佳實施例作進一步詳細說明。
圖1為已有技術接觸式圖像傳感系統的示意圖；圖2為已有技術接觸式圖像傳感模塊的截面圖；圖3為已有技術并合圖像傳感板的電路圖；圖4為已有技術并合圖像傳感板的時序圖；圖5為已有技術使用光晶體管傳感元件的硅對接觸式圖像傳感模塊的方塊圖；圖6為已有技術使用光電二極管傳感元件的硅對接觸式圖像傳感模塊的方塊圖；圖7A為已簡化的數字化原始文件的示意圖；圖7B為使用具有像素轉移及像素讀出結構的已有技術硅對圖像傳感芯片的檢測范圍訊號示意圖8為具頻閃照射的已有技術技藝的時序圖；圖9為具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片的時序圖；圖10A為已簡化的數字化原始文件的示意圖；圖10B為根據本發明的檢測范圍訊號的示意圖；圖11為具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片的方塊圖；圖12A為具線轉移及像素讀出結構的圖像傳感芯片中圖像傳感光電元件、轉移閘極、持留電容器的截面圖；圖12B為具線轉移及像素讀出結構的圖像傳感芯片于一整合周期內的電位圖；圖12C為具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片于一轉移周期內的電位圖；圖12D為具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片于轉移后的電位圖；圖13為具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片的時序圖；圖14為具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片的芯片配置平面圖；圖15為具線轉移及像素讀出結構的并合硅對接觸式圖像傳感板的方塊圖；圖16為具線轉移及像素讀出結構的并合硅對接觸式圖像傳感板的時序圖；圖17為光晶體管主動式像素傳感器(active pixel sensor，APS)圖像傳感光電元件的簡化示意圖；圖18為圖像傳感芯片及作為圖像傳感光電元件的主動式像素傳感器的方塊圖；圖19為具線轉移及像素讀出結構的接觸式圖像傳感芯片、主動式像素傳感器圖像傳感光電元件、相關式雙取樣(correlated double sampling，CDS)電路等的方塊圖；圖20為具線轉移及像素讀出結構的接觸式圖像傳感芯片、主動式像素傳感器圖像傳感光電元件、相關式雙取樣電路等的時序圖。
具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片的優點在于能精確而快速地掃瞄文件，而且能避免變形，并且保持最佳的垂直解析度。
請參閱圖9，其顯示具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感板5的時序圖，一排光電檢波器4b掃瞄文件2的第一條線，產生電子訊號，這個電子訊號是個別分開的。當轉移閘極是開啟時，電子訊號會被平行轉移至光電檢波器4b相關持留晶體管，觸發傳輸轉移脈沖φT24；轉移之后，利用重置脈沖φR25重置所有的光電檢波器4b，使其具一重置電壓。輸入脈沖φIP16觸發移位寄存器讀出圖像訊號，輸入脈沖φIP16同時打開步進馬達10a，以驅動滾輪10推進文件2使下一條線就讀取位置，接觸式圖像傳感板5開始讀出文件2的下一條線，如所見，所有像素的整合時間是相同的，因此本發明可避免在已有技術中因為掃瞄文件2的每一像素整合時間不同而造成的變形問題，也可得到最佳的垂直解析度，提供比已知傳統的像素轉移及像素讀出圖像傳感器的精確度要高，一條線的掃瞄周期與讀出時間23相同，不像已有技術系統中使用頻閃照射以消除變形，本發明不需再延長整合時間22去完成一個掃瞄周期(請參閱圖10A和圖10B)，與已有技術相比，本發明大大地改善掃瞄速度。
圖11顯示具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感板5的簡單方塊圖，主要元件有(1)緩沖器26、(2)時鐘脈沖發生器27、(3)實設光電元件陣列28以及(4)虛設元件陣列29。緩沖器26是用來分隔裝置與外部電路，并提供足夠的電力以驅動時鐘脈沖發生器27、實設光電元件陣列28以及虛設元件陣列29，當接收到時鐘脈沖φCP15和輸入脈沖φIP16這兩個脈沖，時鐘脈沖發生器27就會產生轉移脈沖φT24、重置脈沖φR25以及幀脈沖25b。
實設光電元件陣列28包括數個元件(1)數個實設光電元件30、(2)數個轉移閘極31、(3)數個持留電容器32、(4)數個重置晶體管33、(5)數個射極跟隨器33a、(6)數個多路轉換開關37、(7)n階數字掃瞄移位寄存器38、(8)實設芯片選擇器39以及(9)圖像緩沖器40，每一個射極跟隨器33a包括一個金氧半導體晶體管34、一個空虛層晶體管35以及一個省電晶體管36。
虛設元件陣列29包含的同種元件數量比實設光電元件陣列28的少，將數個實設光電元件30換成數個虛設元件41，虛設元件41的大小和實設光電元件30一樣，每一個虛設元件41都放在接近實設光電元件30的對應位置，相異處為被一些阻擋元件遮住以遮斷光線，阻擋元件的材質多為鋁，虛設元件41只會產生暗色固定圖樣噪聲，光電元件30所產生的暗色固定圖樣噪聲跟虛設元件41產生的一樣，借由比較實設光電元件30及虛設元件41的輸出，可以消除輸出訊號中的暗色固定圖樣噪聲及直流補償電壓，所以使用虛設元件41就可以消除光電元件30的暗色固定圖樣噪聲。
實設元件陣列28的操作在虛設元件陣列29之前或之后都可以，實設元件陣列28和虛設元件陣列29可以單獨操作或停止作用，而與其他的陣列是否在操作中或停止作用無關。
圖12A顯示圖像傳感光電元件30、轉移閘極31及持留電容器32的截面圖，光電元件30由光電二極管301和VOG閘極302所組成，VOG閘極302的電壓經調整介于轉移脈沖φT24的高電位(高階位準)及低電位(低階位準)之間，因而設定了光電二極管301的閾電壓(Threshold level)，所以VOG閘極302可用來設定光電二極管301的閾電壓，在一較佳實施例中，VOG閘極302的材質是復晶硅，VOG閘極302也可以借由離子植入法植入電動勢與VOG閘極302電動勢相同的離子而形成。
如位能12B、圖12C和圖12D所示，轉移閘極31是用于將光電元件301的光電荷303轉移至持留電容器32。圖12B是整合周期時的位能圖，其顯示在整合周期內轉移閘極31關閉，而發光二極管光源陣列1照亮文件2，光電元件301產生光電荷303，并將其儲存于光電元件301。圖12C是轉移周期時的位能圖，其顯示在轉移周期內轉移閘極31開啟，而發光二極管光源陣列1關閉，儲存在光電元件301的光電荷303被轉移至持留電容器32。
圖12D是轉移之后的位能圖，其顯示當所有的光電荷303都被轉移至持留電容器32之后，轉移閘極31會再次關閉，此時，光電元件301所產生的所有光電荷303都被轉移至持留電容器32，然后光電元件301會準備整合文件2的下一條線，因為轉移閘極31分隔光電元件301與持留電容器32，所以光電元件301上的電荷與持留電容器32上的不同，持留電容器32上的電荷表示前一條線(第n-1條線)的訊號，而光電元件301上的電荷表示所在線(第n條線)的訊號，因此，可以從持留電容器32讀取訊號，而同步整合光電元件301上的訊號。讀取文件2上一條線的時間和整合時間22或讀出時間23長度一樣，如此大大地增加線掃瞄速度。使用持留電容器32不只是能增加線掃瞄速度，同時可以增加裝置靈敏度、降低重置噪聲、改善訊號噪聲比。持留電容器32的電壓差等于光電荷除以電容值，如果光電元件301所產生的光電荷303是ΔQ，而持留電容器32的電容值是CH，那么訊號ΔVH＝ΔQ/CH，通常光電元件301的電容值比較大，因為其尺寸比較大(在一較佳實施例中，200dpi使用面積大約125μm×125μm，光電元件301的電壓差為ΔVD＝ΔQ/CD，因為圖像訊號從經過光電元件301時的ΔVD增加到經過持留電容器32的ΔVH，所以裝置以一個G的倍率放大了訊號。
G＝CD/CH式(1)其中，CD是光電元件301的電容值、CH是持留電容器32的電容值。
如式(1)所示，持留電容器32的低電容值CH可以增加裝置靈敏度G。
小型持留電容器32的另一優點是可降低重置噪聲，因為在持留電容器32上的電荷在讀出后必須重置，重置機制在重置持留電容器32使其具一直流電壓時會產生重置噪聲，重置噪聲跟持留電容器32電容值的平方根成正比，減少持留電容器32的電容值就可以K的比率降低重置噪聲。
K＝(CD/CH)1/2式(2)給定一持留電容器32電容CH，重置噪聲NR會是NR＝[(k×T)/q]×(CH)1/2＝400(CH)1/2電子于25℃式(3)如果CH等于0.1pF，重置噪聲于室溫下是126電子，與光電元件301上有一百萬電子相比，這個重置噪聲小到可以被忽略，因此大大地改善了訊號噪聲比，持留電容器32上的電荷被射極跟隨器33a轉換成電壓訊號，如上所述，射極跟隨器33a是由金氧半導體晶體管34、空虛層晶體管35及省電晶體管36所構成，空虛層晶體管35的作用類似一載入電阻，當電壓改變時提供一固定電流以穩定訊號；省電晶體管36的閘極觸發時鐘脈沖發生器27產生幀脈沖φF，射極跟隨器33a只有在幀脈沖φF被起動后才會打開，然后在持留周期時關閉，這可減少能量消耗，這個功能減少了射極跟隨器33a的能量消耗，射極跟隨器33a產生的電壓訊號ΔV輸出等于射極跟隨器33a的增益A乘上持留電容器32的電壓差。
ΔV＝(ΔQ/CH)×A 式(4)其中，A是射極跟隨器33a的增益。
然后n階移位寄存器38控制多路轉換開關37讀取訊號，當n階移位寄存器38讀取訊號的后，開啟重置晶體管33重置持留電容器32，使其具一重置電壓，到此，持留電容器32準備好要從實設光電元件30的第二線接收訊號。
如上所述，當接收到時鐘脈沖φCP15和輸入脈沖φIP16這兩個脈沖時，時鐘脈沖發生器27產生轉移脈沖φT24、重置脈沖φR25和幀脈沖φF25b，n階移位寄存器38和虛設元件陣列29內的m階數字掃瞄移位寄存器42因應時鐘脈沖φCP15而操作，因為這兩個移位寄存器的起動脈沖是分開設計的，所以可以分別讀取實設像素和虛設像素，實設起動脈沖φASP43是用來起動n階移位寄存器38，而虛設起動脈沖φDSP46是用來觸發m階移位寄存器42，m階移位寄存器42內的階段數目少于n階移位寄存器38內的階段數目，如此m階移位寄存器42的兩個連續起動時間間隔就會比產生轉移脈沖φT24、重置脈沖φR25和幀脈沖φF25b所需要的時間間隔長。
圖13為具線轉移及像素讀出結構的圖像傳感芯片的時序圖，虛設元件陣列29的虛設起動脈沖φDSP46與用以起動m階移位寄存器42的輸入脈沖φIP16相連，在第m個時鐘脈沖周期的后，虛設元件陣列29產生虛設結束脈沖φDEP47。輸入脈沖φIP16及轉移脈沖φT24間的虛設輸出訊號VDO48片段在重置及轉移過程中會產生變形，而不能作為黑階參考值，開始于轉移脈沖φT24落下邊緣以及與虛設結束脈沖φDEP47一起結束的虛設輸出訊號VDO48片段就可表示從虛設元件陣列29輸出的暗色固定圖樣噪聲，這個虛設輸出訊號VDO48是用來提供黑階參考值，以消除實設光電元件陣列28產生的暗色固定圖樣噪聲，虛設元件陣列29的虛設結束脈沖φDEP47與實設光電元件陣列28的實設起動脈沖φASP43相連，引發實設光電元件陣列28去起動實設光電元件30及依次讀取實設圖像訊號。
使用虛設元件41消除光電元件30產生的暗色固定圖樣噪聲可以解釋如下，當時間位在整合時間22內，與每一實設光電元件30相關的電容器上的電荷逐漸被相關實設光電元件30的反相電流帶走，反相電流包含兩個部份光電流及暗色固定圖樣噪聲，光電流等于光電檢波器的應答乘上光強度。在線掃瞄時，從每一光電檢波器整合的電荷是光電流與暗色固定圖樣噪聲(暗色漏電流)的總和乘上整合時間22的乘積，電荷被儲存在實設光電元件30，然后產生一電動勢，式(5)描述光電元件位置上累積的電荷ΔQA＝(IL+ID)×Tint式(5)
其中，IL是光電流、ID是暗色漏電流、Tint是圖像傳感器的整合時間22。
假設虛設元件41的尺寸和實設光電元件30相同，累積在虛設元件41上的電流會等于暗色漏電流乘上整合時間Tint22的乘積。
ΔQD＝ID×Tint式(6)射極跟隨器33a將持留電容器32上的電荷轉換成上述的相關電壓位準，實設光電元件陣列的實設輸出電壓(QAO)會線性正比于實設光電元件30上的電荷。
ΔQAO＝(ΔQA/CH)×A式(7)其中，CH是持留電容器32的電容值、A是射極跟隨器33a的增益。
虛設元件陣列29的虛設輸出電壓ΔQDO會線性正比于虛設元件陣列29上的電荷。
ΔQDO＝(ΔQD/CH)×A式(8)實設光電元件陣列28中持留電容器32的電容值和虛設元件陣列29中虛設持留電容器相同，如同兩個陣列中射極跟隨器33a的增益相同，為了消除暗色固定圖樣噪聲，將系統設計成凈輸出訊號ΔV等于實設光電元件陣列28的實設輸出訊號45減去虛設元件陣列29的虛設輸出訊號48。
ΔV＝ΔVAO-ΔVDO＝[(IL+ID)-ID]×Tint＝IL×Tint式(9)整合時間Tint22在所有的實設光電元件30及虛設元件41是定值，因此，凈輸出訊號ΔV線性正比于光電流，如式(9)所示，光電流是光電應答R乘上光強度λ1的乘積，實設光電元件30的光電應答R跟每一個實設光電元件30和虛設元件41相同，因此凈輸出訊號ΔV線性正比于文件2的反射圖像光強度λ1。
ΔVαλ1式(10)光電應答的線性定義是凈輸出訊號ΔV除以光強度λ1，所以是一個定值，光電應答的線性是本發明實施例中使用接觸式圖像傳感模塊6掃瞄黑白文件2的重要觀念，這個特征在牽涉到彩色接觸式圖像傳感模塊6的實施例中尤其重要，在使用彩色接觸式圖像傳感模塊6的應用情況下，彩色文件2每一像素的數字化表示法是由三種顏色紅、綠、藍所組成，傳統的彩色掃瞄器對每一顏色提供至少八位元的記錄方式，或說成對每一顏色至少有28＝256種選擇，因此如果每一像素是由這三種顏色的組合而構成，總計可重建224＝16,777,216種不同的顏色。給定像素的顏色C是由下式決定C＝A％×R+B％×G+C％×B式(11)其中，A％是像素三色表示法中紅色的百分表現、B％是綠色的百分表現、C％是藍色的百分表現、R表示紅色、G表示綠色、B表示藍色。
注意A+B+C＝100，上述說明的光電應答線性原理可以增進文件2彩色圖像的精確重建。
圖14顯示具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片的芯片配置平面圖，如圖所示，實設光電元件陣列28排列在圖像傳感芯片11的上半部，而虛設元件陣列29排列在芯片11的下半部，總共n個實設光電元件30排成一列，之間的間距相等，可以很容易地將一個很長的實設光電元件30(如A4尺寸)或是一列的光電元件30對接在芯片上11。
圖15是具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感板的方塊圖，其包括(1)數個硅對接觸式圖像傳感芯片11、(2)觸發器電路67以及(3)運算放大器68a，當第一芯片49上的虛設元件陣列29接收到起動脈沖φSP14，就會發出虛設起動脈沖φDSP52，觸發輸入脈沖φIP16，虛設元件陣列29再發出虛設結束脈沖φDEP53，虛設結束脈沖φDEP53與實設起動脈沖φASP54耦合。這種設計擁有更大的彈性，連接虛設元件陣列29可以比連接實設光電元件陣列28早先安排，以提供更長的時間測定黑階參考值，虛設元件陣列29產生虛設輸出訊號VDO55，與實設光電元件陣列28產生的實設輸出訊號VAO56結合，第一芯片49的實設光電元件陣列28發出實設結束脈沖φAEP58，與第二芯片51上的第二芯片實設起動脈沖φASP59連接，以此類推，最后一個芯片50連接最后芯片實設起動脈沖φASP及前一個芯片的實設結束脈沖，并且連接輸出端60及倒數第二個芯片的實設結束脈沖φAEP61。實設光電元件陣列28觸發最后芯片50輸出實設結束脈沖φAEP62，最后芯片50依次連向虛設元件陣列29的虛設起動脈沖φDSP63，從虛設元件陣列29輸出的虛設輸出訊號VDO64與實設光電元件陣列28產生的實設輸出訊號VAO65結合，實設光電元件陣列28有三個接合片，分別對應實設起動脈沖φASP54、實設結束脈沖φAEP58和實設輸出訊號VAO65；虛設元件陣列29也有三個接合片，分別對應虛設起動脈沖φDSP52、虛設結束脈沖φDEP53和虛設輸出訊號VDO55。虛設結束脈沖φDEP53和起動脈沖φSP14連接至觸發器電路67的不同端，觸發器電路67產生發光二極管輸出脈沖φLED68，這個脈沖可讓裝置自動照射文件2。除了第一芯片49跟最后芯片50的外，所有芯片51上的虛設元件陣列29可借由中斷虛設起動脈沖φDSP52a、虛設結束脈沖φDEP53a和虛設輸出訊號VDO55a使其停止作用，芯片11產生的所有類比訊號會結合在一起，然后由運算放大器68放大。
圖16是具線轉移及像素讀出結構的并合硅對接觸式圖像傳感板的時序圖，實設像素70會傳輸圖像訊號，在實設像素70之前的是虛設訊號的m1個前方虛設像素69，在實設像素70之后的是m2個后方虛設像素71，如上所述，前方虛設像素69及后方虛設像素71可以消除暗色固定圖樣噪聲，操作時，當接觸式圖像傳感模塊6接收到起動脈沖φSP，時鐘脈沖發生器27同步產生重置脈沖φR25、幀脈沖φF25b及轉移脈沖φT24，借由重置脈沖φR25重置持留電容器32的電容值，使其具一重置電壓，轉移脈沖φT24觸發整列的實設光電元件30，分開電子訊號然后平行轉移至實設光電元件30相關的持留電容器32。
整列的實設光電元件30繼續整合文件2的下一條線，如式(4)所述，實設持留電容器32上的電荷被射極跟隨器33a轉換成電壓訊號，然后借n階移位寄存器38控制多路轉換開關37讀取訊號，n階移位寄存器38讀取訊號的后，打開重置晶體管33重置持留電容器32，使其具有一重置電壓，然后持留電容器32準備好要接收實設光電元件30的第二線訊號，這個機制一再重復以讀取文件2的下一條線。
在一較佳實施例中，可用被動式像素傳感器(passive pixel sensor，PPS)制造實設光電元件。
圖12顯示一實設光電二極管被動式像素傳感器，其包括光電二極管301和VOG閘極302。調整VOG閘極302的電壓位準，使其介于轉移脈沖φT24的高電位(高階位準)和低電位(低階位準)之間，以設定光電二極管的定限位準，光電二極管會累積電荷，然后將電荷訊號轉換成電壓訊號。在一較佳實施例中，實設光電二極管是實設pn結二極管，可以將電荷訊號轉換成電壓訊號。在另一較佳實施例中，二極管是p-i-n光電二極管，其暗色固定圖樣噪聲大概是傳統pn結光電二極管的十分的一。在一較佳實施例中，VOG閘極是利用離子植入法所形成的閘極，這里也可以使用單一復晶硅圓片程序形成閘極。
在一較佳實施例中，具有光電二極管的圖像傳感芯片原則上包括(1)緩沖器、(2)時鐘脈沖發生器、(3)實設光電元件陣列、(4)虛設元件陣列。實設光電元件陣列本身包括數個元件(1)數個實設被動式像素傳感器、(2)數個實設持留電容器、(3)數個重置晶體管、(4)數個射極跟隨器、(5)數個多路轉換開關、(6)n階移位寄存器、(7)實設芯片選擇器、(8)圖像緩沖器及(9)數個轉移閘極，可以分開實設被動式像素傳感器上的電荷與實設持留電容器上的電荷，并可將實設被動式像素傳感器上的電荷轉移到實設持留電容器，這種排列可以同步讀取實設持留電容器上的電荷及整合光電元件上的電荷。
虛設元件陣列包括的同種元件數量少于實設光電元件陣列，將數個實設被動式像素傳感器換成數個虛設被動式像素傳感器，同樣地，可以將選擇的元件與其他的虛設陣列分開以簡化虛設元件陣列，舉例來說，如果m階移位寄存器42被隔開，那就會產生定電壓的虛設輸出訊號VDO。
每一個射極跟隨器33a是由一個金氧半導體晶體管34、一個空虛層晶體管35及一個省電晶體管36所組成，空虛層晶體管35的作用類似一載入電阻，當電壓改變時提供一固定電流以穩定訊號；省電晶體管36的閘極觸發一取樣脈沖，射極跟隨器33a只有在取樣周期時才會開啟，然后在持留周期時關閉，這可減少能量消耗。在整合期間內，光電二極管產生光電荷，并且將其儲存在相關的持留電容器，然后射極跟隨器將持留電容器上的電荷轉換成電壓訊號。
在另一較佳實施例中，可使用主動式像素傳感器制造接觸式圖像傳感芯片11，芯片原則上包括(1)緩沖器、(2)時鐘脈沖發生器、(3)實設光電元件陣列以及(4)虛設元件陣列。實設光電元件陣列28本身包括數個元件(1)數個實設主動式像素傳感器、(2)數個取樣/持留開關、(3)數個持留電容器、(4)數個多路轉換開關、(5)n階移位寄存器、(6)實設芯片選擇器及(7)圖像緩沖器。虛設元件陣列包括的同種元件數量少于實設光電元件陣列，將數個實設主動式像素傳感器換成數個虛設主動式像素傳感器。虛設元件與實設光電元件的尺寸大小相同，但是以鋁遮斷光線，同樣地，可以分開選擇元件與其他的虛設陣列以簡化虛設元件陣列，舉例來說，如果m階移位寄存器被隔開，那就會產生定電壓的虛設輸出訊號VDO64。
圖17顯示光晶體管主動式像素傳感器的簡化示意圖，光晶體管主動式像素傳感器包括(1)光晶體管85、(2)pn結光電二極管86、(3)基極重置晶體管87、(4)主動式像素傳感器電容器88和(5)射極重置晶體管89，光晶體管85將光學訊號轉換成電子訊號，當基極電壓超過一個固定的非零射極電壓，如0.7V，則光晶體管85開啟。為了避免低光階的問題，在光晶體管85的基極和基極重置晶體管87間插入pn結光電二極管86，基極電壓會重置成一固定非零電壓，如0.7V，而不像傳統光晶體管結構是以接地方式重置電壓，pn結二極管86的另一好處是可以快速平衡光電二極管86和光晶體管基極一射極的溫度，重置時，以接地重置射極重置晶體管89，而基極重置晶體管87重置光晶體管基極的電壓，使其具一非零值，如0.7V，同一時間重置光晶體管的基極和射極。主動式像素傳感器電容器88儲存對應轉換訊號的電荷，光晶體管85和主動式像素傳感器電容器88的組合作用類似射極跟隨器，這種設計提供了一種結構簡單而便宜的傳感板。
圖18顯示圖像傳感芯片11及作為實設圖像傳感光電元件30的實設主動式像素傳感器74的方塊圖，每一個光電二極管主動式像素傳感器74是由一個光電二極管301、一個重置晶體管33以及一個射極跟隨器33a所組成。光電二極管301將每個像素上的電荷訊號轉換成電壓訊號。每一個射極跟隨器33a是由一個金氧半導體晶體管34、一個空虛層晶體管35及一個省電晶體管36所組成，空虛層晶體管35的作用類似一載入電阻，當電壓改變時提供一固定電流以穩定訊號，省電晶體管36的閘極觸發一取樣脈沖，主動式像素傳感器只有在取樣周期時因應芯片選擇器脈沖才會打開，然后在持留周期時關閉，這可減少能量消耗，在整合期間內，光電二極管產生光電荷，并且將其儲存在相關的電容器32中，然后射極跟隨器33a將光電荷轉換成電壓訊號。在一較佳實施例中，實設光電二極管是使用實設pn結光電二極管，可以將每一像素上的電荷訊號轉換成電壓訊號。在另一較佳實施例中，二極管采用p-i-n光電二極管，其暗色固定圖樣噪聲只有傳統pn結光電二極管的十分之一。
在被動式像素傳感器及主動式像素傳感器的實施例中，射極跟隨器33a產生的電壓訊號可由下式求得ΔV＝(ΔQ/CD)×A式(12)其中，ΔQ是光電荷、CD是光電二極管電容值、A是射極跟隨器33a的增益。
在主動式像素傳感器系統中，取樣/持留開關75在轉移周期內會產生取樣/持留脈沖φS/H，觸發取樣電壓訊號ΔV，然后持留訊號于持留電容器32。取樣及持留步驟的后，重置晶體管33重置光電二極管301上的電荷，使得電壓訊號φV重置，光電二極管301接著準備整合文件2因掃瞄下一條線所得的電荷，持留電容器32的電壓差ΔVC代表從文件2前一條線所得的圖像訊號，持留電容器32的電壓ΔVC(t)放電是時間的函數，以下式表示ΔVC(t)＝ΔV×exp(φt/RCH)式(13)其中，R是系統的有效電阻、CH是持留電容器32的電容值。
所以持留電容器32的電容值CH必須夠大，才能保存電壓訊號ΔV持續一個轉移周期的時間，然后n階移位寄存器38控制多路轉換開關37一個接著一個依次讀取持留電容器32的電壓訊號。
當n階移位寄存器38讀取了一個訊號的后，重置晶體管33重置電壓訊號ΔV，kTC噪聲形式的重置噪聲會出現在實設光電元件30的大表面上，因此，一較佳實施例利用相關式雙取樣電路消除重置噪聲，所以要有數量超過一列的實設取樣/持留開關、實設持留電容器及實設多路轉換開關，相對地，還要有數量超過一列的虛設取樣/持留開關、虛設持留電容器及虛設多路轉換開關。同樣地，可以將選擇的元件與其他的虛設陣列部份分開以簡化虛設元件陣列。圖19顯示具線轉移及像素讀出結構的接觸式圖像傳感芯片、主動式像素傳感器圖像傳感光電元件及相關式雙取樣電路的方塊圖。
圖20是同樣芯片的時序圖，有別于先前實施例僅使用一個取樣/持留脈沖，這個實施例則利用兩個取樣/持留脈沖φS/H193和φS/H294消除重置噪聲。
權利要求
1.一種具線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，包括一時鐘脈沖發生器，用于產生操作所述芯片所需的脈沖，該脈沖包括轉移脈沖φT、重置脈沖φR以及幀脈沖φF；一實設光電元件陣列，用于應答所述脈沖發生器所產生的脈沖，該實設光電元件陣列包括數個實設光電元件，該實設光電元件陣列用于將一光學訊號轉換成一電子訊號；一虛設元件陣列，其包括數個虛設元件，每一個虛設元件與對應的實設傳感元件的位置大致相同，該虛設元件陣列用于提供一光學黑階參考值；一遮蔽元件，以確保虛設元件無法接收到光線，而使虛設元件產生一參考輸出訊號；一輸出線路，用于將接觸式圖像傳感芯片所產生的訊號傳輸至一外部電路；以及一緩沖器，用于隔離所述芯片與外部電路，并驅動芯片的一圖像線路電容。
2.如權利要求1所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于所述實設元件陣列包括一實設時鐘脈沖接合片，連向一時鐘脈沖φCP；所述虛設元件陣列包括一虛設時鐘脈沖接合片，連向該時鐘脈沖φCP；以及虛設時鐘脈沖接合片可以是實設時鐘脈沖接合片，或是為另一接合片。
3.如權利要求1所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于所述實設元件陣列包括一實設起動脈沖接合片，連向一實設起動脈沖φASP；一實設結束脈沖接合片，連向一實設結束脈沖φAEP；以及一實設輸出訊號接合片，連向一實設輸出訊號φVAO；以及所述虛設元件陣列包括一虛設起動脈沖接合片，連向一虛設起動脈沖φDSP；一虛設結束脈沖接合片，連向一虛設結束脈沖φDEP；以及一虛設輸出訊號接合片，連向一虛設輸出訊號VDO。
4.如權利要求1所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于所述實設元件陣列的操作及停止作用與所述虛設元件陣列的操作及停止作用無關；以及所述虛設元件陣列的操作及停止作用與所述實設元件陣列的操作及停止作用無關。
5.一種并合硅對接觸式圖像傳感板，其特征在于，包括數個硅接觸式圖像傳感芯片，成一列頭尾對接在一基板上，使相鄰檢波器的間距大致相同。
6.如權利要求5所述的接觸式圖像傳感板，其特征在于，還包括一觸發器電路，用于產生一發光二極管輸出脈沖φLED，該輸出脈沖φLED促成文件的自動照射；以及一運算放大器，用于結合并放大所有接觸式圖像傳感芯片所產生的類比訊號。
7.如權利要求6項所述的接觸式圖像傳感板，其特征在于，所述的數個硅接觸式圖像傳感芯片包括虛設元件陣列的第一芯片上的第一芯片虛設起動脈沖φDSP，該第一芯片虛設起動脈沖φDSP被一外部電路產生的一起動脈沖φSP觸發，該虛設起動脈沖φDSP接著觸發一輸入脈沖φIP傳輸至外部電路；輸入至每一個芯片的一虛設結束脈沖φDEP；輸入至每一個芯片的一實設起動脈沖φASP，除了最后芯片的實設起動脈沖，每一個實設起動脈沖均連向每一個虛設結束脈沖接合片；所有芯片的實設起動脈沖φASP的接合片連接至前一芯片的實設結束脈沖φAEP的接合片，而最后芯片除外；該最后芯片的實設起動脈沖φASP接合片連接至倒數第二芯片的一實設結束脈沖φAEP接合片；以及實設元件陣列的實設結束脈沖φAEP的接合片連接至用于虛設元件陣列上的虛設起動脈沖φDSP的接合片。
8.如權利要求7所述的并合硅對接觸式圖像傳感板，其特征在于，所述的一個或多個實設元件陣列及一個或多個虛設元件陣列可以被彈性地設計在所述硅對接觸式圖像傳感板上。
9.如權利要求6所述的并合硅對接觸式圖像傳感板，其特征在于，所述傳感板包括一頻閃光源發生器，用于產生發光二極管頻閃光的輸出脈沖，以照亮該文件，而運算放大器用于放大該訊號，以建立一電壓參考值。
10.如權利要求9所述的并合硅對接觸式圖像傳感板，其特征在于，所述運算放大器構建在芯片上，該運算放大器包括一增益以及補償調整，以幫助所述電壓參考值的建立。
11.如權利要求9所述的并合硅對接觸式圖像傳感板，其特征在于，所述運算放大器構建在芯片上；該運算放大器保持固定的增益；以及該運算放大器借由調整發光二極管電流或改變整合時間以建立所述電壓參考值。
12.如權利要求1所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述的實設元件陣列包括數個實設光電元件被動式像素傳感器，用于收集每一像素上的一電荷，并將其轉換成一電壓；數個實設持留電容器，用于接收并儲存實設光電元件被動式像素傳感器所收集的電荷；數個實設重置晶體管，用于重置實設持留電容器，使其具有一固定重置電壓；數個實設射極跟隨器，用于將實設持留電容器上的電荷轉換成電壓訊號；數個實設多路轉換開關，每一個開關耦合一個實設光電元件及輸出線路；一n階數字掃瞄移位寄存器，其具有數個輸出端，每一個輸出端耦合一個實設多路轉換開關的一控制輸入端；一實設芯片選擇器，用于發出一實設芯片選擇器脈沖，以起動射極跟隨器；一實設圖像緩沖器；以及數個實設轉移閘極，用于分離實設被動式像素傳感器上的電荷及持留電容器上的電荷，并將實設被動式像素傳感器上的電荷轉移至實設持留電容器，所述n階移位寄存器依次起動每一個實設光電元件被動式像素傳感器，每一個光電元件被動式像素傳感器因而產生一實設輸出訊號，實設圖像緩沖器接收實設輸出訊號，當n階移位寄存器依次起動每一個連續的實設光電元件被動式像素傳感器，該n階移位寄存器依次重置每一個前方的實設光電元件被動式像素傳感器，使其具一黑階位準。
13.如權利要求12所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述實設轉移閘極為復晶硅閘極、實設持留電容器為擴散電容器或復晶硅電容器、而實設光電二極管為一pn結光電二極管或一p-i-n光電二極管。
14.如權利要求12所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，其中每一個實設被動式像素傳感器包括一實設光電二極管及一實設VOG閘極，該實設光電二極管用于累積光電荷；實設VOG閘極具有一電壓位準，經調整介于轉移脈沖φT的高電位(高階位準)和低電位(低階位準)之間，因而設定了實設光電元件的一定限位準。
15.如權利要求14所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述的實設VOG閘極為一離子植入閘極，而實設光電二極管為一pn結光電二極管或一p-i-n光電二極管。
16.如權利要求12所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述的虛設元件陣列包括數個虛設被動式像素傳感器，用于收集每一像素上的一電荷，并將其轉換成一電壓；數個虛設持留電容器，用于接收并儲存該虛設被動式像素傳感器所收集的該電荷；數個虛設重置晶體管，用于重置該虛設持留電容器，使其具一固定重置電壓；數個虛設射極跟隨器，用于將該虛設持留電容器上的該電荷轉換成電壓訊號；數個實設多路轉換開關，每一個該開關耦合一個虛設元件及該輸出線路；一m階數字掃瞄移位寄存器，其具有數個輸出端，每一個該輸出端耦合一個虛設多路轉換開關的一控制輸入端；一虛設芯片選擇器，用于發出一虛設芯片選擇器脈沖，以起動射極跟隨器；一虛設圖像緩沖器；以及數個虛設轉移閘極，用于分離虛設被動式像素傳感器上的電荷及虛設持留電容器上的電荷，并將虛設被動式像素傳感器上的電荷轉移至虛設持留電容器，所述m階移位寄存器依次起動每一個虛設被動式像素傳感器，每一個虛設被動式像素傳感器因而產生一虛設輸出訊號，虛設圖像緩沖器接收該虛設輸出訊號，當該m階移位寄存器依次起動每一個連續的虛設被動式像素傳感器，該m階移位寄存器依次重置每一個前方的虛設被動式像素傳感器，使其具一黑階位準；比較所述實設光電元件產生的實設輸出訊號與所述虛設元件產生的虛設輸出訊號，以消除實設輸出訊號內的暗色固定圖樣噪聲和直流補償電壓，因而產生一合成圖像輸出訊號。
17.如權利要求16所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述的虛設持留電容器為擴散電容器、虛設轉移閘極為復晶硅閘極，而虛設射極跟隨器包括一自我掃瞄光電二極管陣列(金氧半導體)晶體管；一空虛層晶體管，用于當作一載入電阻，當電壓改變時提供一固定電流，以穩定該訊號；以及一省電晶體管，用于觸發一幀脈沖，所述虛設射極跟隨器因該幀脈沖而開啟。
18.如權利要求16所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，其中每一個虛設被動式像素傳感器包括一pn結二極管及一虛設VOG閘極，pn結二極管用于累積光電荷；所述pn結二極管可將一電荷訊號轉換成一電壓訊號，并提供一黑階參考值；所述虛設VOG閘極具有一電壓位準，經調整介于所述轉移脈沖φT的高電位(高階位準)和低電位(低階位準)之間，因而設定了該光電二極管的一定限位準，其中虛設VOG閘極為一離子植入閘極。
19.如權利要求1所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述實設元件陣列包括數個主動式像素傳感器，用于收集每一像素上的一電荷，并將其轉換成一電壓訊號；數個實設持留電容器，用于接收并儲存所述實設光電元件主動式像素傳感器所收集的電荷；數個實設取樣/持留開關，每一個該開關用于產生一取樣/持留脈沖φS/H，以觸發取樣一電壓訊號φV，然后實設持留電容器將持留該電壓訊號；數個實設多路轉換開關，每一個該開關耦合一個實設光電元件及輸出線路；一n階數字掃瞄移位寄存器，其具有數個輸出端，每一個輸出端耦合一個實設多路轉換開關的一控制輸入端；一實設芯片選擇器，用于發出一實設芯片選擇器脈沖，以起動實設主動式像素傳感器；以及至少一實設圖像緩沖器。
20.如權利要求19所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，每一個該實設主動式像素傳感器是一實設光晶體管主動式像素傳感器，其包括一實設光晶體管，用于將一光學訊號轉換成一電子訊號；一實設pn結光電二極管，用于避免實設光晶體管的低亮度問題；一實設基極重置晶體管，用于重置該實設光晶體管的基極電壓，使其具有一固定非零值；一實設電容器，用于儲存轉換訊號所對應的電荷；以及一實設射極重置晶體管，用于以接地方式重置所述光晶體管的射極。
21.如權利要求19所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，每一個實設主動式像素傳感器是一光電二極管主動式像素傳感器，其包括一實設光電二極管，用于將每一像素上的一電荷訊號轉換成一電壓訊號；一實設重置晶體管，用于重置實設持留電容器，使其具一固定重置電壓；以及一實設射極跟隨器，用于將實設持留電容器上的電荷轉換成電壓訊號。
22.如權利要求21所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述的實設射極跟隨器包括一實設金氧半導體晶體管；一實設空虛層晶體管，用于當作一載入電阻，當電壓改變時提供一固定電流，以穩定該訊號；以及一實設省電晶體管，用于觸發一幀脈沖，所述實設射極跟隨器因應該幀脈沖而開啟。
23.如權利要求21所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述實設光電二極管為一pn結光電二極管或一p-i-n光電二極管。
24.如權利要求19所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述的虛設元件陣列包括數個虛設主動式像素傳感器，用于收集每一像素上的一電荷，并將其轉換成一電壓訊號；數個虛設取樣/持留開關，每一個該開關用于產生一取樣/持留脈沖φS/H，以觸發取樣一電壓訊號φV，然后虛設持留電容器將持留該電壓訊號；數個虛設持留電容器，用于儲存該虛設主動式像素傳感器所收集的電荷；數個虛設多路轉換開關，每一個開關耦合一個虛設元件及輸出線路；一m階數字掃瞄移位寄存器，其具有數個輸出端，每一個輸出端耦合一個虛設多路轉換開關的一控制輸入端；一虛設芯片選擇器，用于發出一虛設芯片選擇器脈沖，以起動虛設主動式像素傳感器；以及至少一虛設圖像緩沖器。
25.如權利要求24所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，每一個所述虛設主動式像素傳感器是一虛設光晶體管主動式像素傳感器，其包括一虛設光晶體管，用于將一光學訊號轉換成一電子訊號；一虛設pn結二極管，用于避免該虛設光晶體管的低亮度問題；一虛設基極重置晶體管，用于重置該虛設晶體管的基極電壓，使其具有一固定非零值；一虛設電容器，用于儲存所述轉換訊號對應的電荷；以及一虛設射極重置晶體管，用于以接地方式重置該虛設晶體管的射極。
26.如權利要求24所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述的數個實設主動式像素傳感器包括至少兩個實設列的實設取樣/持留開關、實設持留電容器以及實設多路轉換開關；所述數個虛設主動式像素傳感器包括至少兩個虛設列的虛設取樣/持留開關、虛設持留電容器以及虛設多路轉換開關；以及至少兩個實設列及至少兩個虛設列作為相關式雙取樣電路，以消除實設光電二極管的重置噪聲。
27.如權利要求24所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，每一個該虛設主動式像素傳感器包括一虛設二極管，其與該實設光電元件的尺寸大小一致，該虛設二極管被鋁所遮蓋以阻擋光線進入，該虛設二極管用于將每一像素上的一電荷訊號轉換成一電壓訊號；一虛設重置晶體管，用于重置該虛設持留電容器，使其具一固定重置電壓；以及一虛設射極跟隨器，用于將所述虛設持留電容器上的電荷轉換成電壓訊號。
28.如權利要求27所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述虛設二極管為一pn結二極管或一p-i-n二極管。
29.如權利要求1所述的接觸式圖像傳感芯片，其特征在于，所述遮蔽元件為鋁材質。
全文摘要
本發明公開了一種利用線轉移及像素讀出結構的硅對接觸式圖像傳感芯片,包括一用于產生操作芯片所需脈沖的時鐘脈沖發生器;一用于應答脈沖發生器所產生的脈沖的實設光電元件陣列;一虛設元件陣列;一確保虛設元件無法接收到光線的遮蔽元件;一輸出線路和一緩沖器。其整合與訊號讀出步驟是分開進行的,可提供更精確的文件,避免文件變形、垂直解析度降低及掃描速度降低等問題。所有芯片可成一列地頭尾對接在單一芯片上,具有高靈敏度、低重置噪音、高訊號噪聲比等優點。
文檔編號H04N3/15GK1256469SQ9910896
公開日2000年6月14日 申請日期1999年6月30日 優先權日1998年7月1日
發明者王文良 申請人:菱光科技股份有限公司