Ang mga sensor ng imahe ay kinakailangan sa mga camera, mula sa mga telepono hanggang sa mga teleskopyo, pagkuha ng ilaw at ginagawang mga imahe. Ang mga sensor ng CMOS (Front-Side Illuminated) at BSI (Backside-Illuminated) ay gumagana sa magkatulad na mga prinsipyo ngunit naiiba sa istraktura, na nakakaapekto sa pagkuha ng ilaw, ingay, at kalidad ng kulay. Ipinaliliwanag ng artikulong ito ang kanilang mga disenyo, pagganap, paggamit, at mga pag-unlad sa hinaharap nang detalyado.
CC7. Mula sa BSI hanggang sa Stacked CMOS Architectures
Pangkalahatang-ideya ng CMOS vs BSI Sensor
Ang bawat camera, mula sa smartphone sa iyong bulsa hanggang sa mga teleskopyo na nagsasaliksik ng malalayong kalawakan, ay nakasalalay sa kung gaano kahusay ang sensor ng imahe nito na kumukuha ng liwanag. Ang parehong mga sensor ng CMOS at BSI ay sumusunod sa magkatulad na mga prinsipyo ng semiconductor, ngunit ang kanilang mga pagkakaiba sa istruktura ay humahantong sa mga pangunahing pagkakaiba-iba sa pagiging sensitibo sa ilaw, pagganap ng ingay, at kalidad ng imahe. Sa tradisyunal na CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) sensors, metal wiring at transistors umupo sa itaas ng photodiodes, bahagyang pagharang sa papasok na ilaw at binabawasan ang pangkalahatang sensitivity. Ang disenyo na ito ay ginagawang cost-effective at mas madaling gawain ang mga sensor ng CMOS, ngunit nililimitahan ang pagganap ng mababang ilaw. Sa kabilang banda, ang mga sensor ng BSI (Back-Side Illuminated) ay binabaligtad ang istraktura, na inilalagay ang photodiode sa itaas upang ang liwanag ay direktang umabot dito nang walang sagabal. Pinapabuti nito ang kahusayan ng kabuuan, binabawasan ang ingay, at pinahuhusay ang pagganap sa mga compact o high-end imaging system, mula sa mga DSLR camera hanggang sa mga pang-agham na instrumento.
Arkitektura ng Sensor ng CMOS
Ang isang Front-Side Illuminated (FSI) CMOS sensor ay kumakatawan sa mas maaga at mas maginoo na istraktura ng sensor ng imahe na ginagamit sa mga digital camera at smartphone. Sa arkitektura na ito, ang papasok na ilaw ay dapat dumaan sa maraming mga layer ng mga materyales bago maabot ang photodiode, ang rehiyon na sensitibo sa liwanag na responsable para sa pag-convert ng mga photon sa mga de-koryenteng signal.
Proseso ng Pagtatrabaho
Ang bawat pixel sa display ay nagpapatakbo sa pamamagitan ng isang coordinated na proseso na kinasasangkutan ng mga microlenses, mga filter ng kulay, mga interconnect ng metal, transistors, at isang layer ng photodiode. Ang mga microlens ay unang nakatuon sa papasok na ilaw sa pamamagitan ng pula, berde, at asul na mga filter ng kulay, tinitiyak na ang mga tukoy na haba ng daluyong lamang ang umabot sa bawat subpixel. Sa itaas ng photodiode, ang mga metal interconnect at transistor ay namamahala sa electrical control at signal readout ng pixel, bagaman ang kanilang posisyon ay maaaring bahagyang harangan ang ilan sa mga papasok na ilaw. Sa ilalim ng mga layer na ito ay namamalagi ang photodiode, na kinukuha ang natitirang ilaw at ginagawang isang de-koryenteng singil, na bumubuo ng pangunahing signal ng imahe ng pixel.
Mga Limitasyon ng Disenyo ng FSI
• Nabawasan ang Light Sensitivity: Ang isang bahagi ng liwanag ay sumasalamin o hinihigop ng mga kable at transistor layer bago ito maabot ang photodiode.
• Mas mababang Punan Kadahilanan: Habang lumiliit ang mga sukat ng pixel, ang ratio ng lugar na sensitibo sa ilaw sa kabuuang lugar ng pixel ay bumababa, na humahantong sa mas maraming ingay.
• Mas mahina na Pagganap ng Mababang Ilaw: Ang mga sensor ng FSI ay nakikipagpunyagi sa malabong kapaligiran kumpara sa mga modernong alternatibo tulad ng mga sensor ng BSI.
Sa loob ng BSI CMOS Sensor
Ang Backside-Illuminated (BSI) CMOS sensor revolutionized digital imaging sa pamamagitan ng pagtugon sa pangunahing disbentaha ng tradisyonal na Front-Side Illuminated (FSI) disenyo, light blockage mula sa metal wiring at transistors. Sa pamamagitan ng pagbabalik ng istraktura ng sensor, pinapayagan ng BSI ang papasok na ilaw na maabot ang photodiode nang direkta, kapansin-pansing nagpapabuti sa kahusayan ng ilaw at kalidad ng imahe.
Pag-andar ng Teknolohiya ng BSI
• Ang silikon wafer ay manipis pababa sa ilang micrometers lamang upang ilantad ang photosensitive layer
● Ang layer ng photodiode ay nakaposisyon sa itaas na bahagi, direktang nakaharap sa papasok na ilaw
• Ang mga metal na kable at transistor circuit ay inilipat sa likod na bahagi, na pumipigil sa kanila mula sa pagharang sa mga landas ng ilaw
• Ang mga advanced na microlens ay nakahanay nang tumpak sa bawat pixel upang matiyak ang pinakamainam na pagtuon ng ilaw
Mga Pakinabang ng BSI Sensors
• Mas mataas na kahusayan sa pagsipsip ng ilaw: Hanggang sa 30-50% na pagpapabuti kumpara sa mga sensor ng FSI, na nagreresulta sa mas maliwanag at mas malinis na mga imahe.
• Superior Low-Light Performance: Ang nabawasan na pagkawala ng photon ay nagpapahusay sa pagiging sensitibo at pinapaliit ang ingay sa madilim na kapaligiran.
• Pinahusay na Katumpakan ng Kulay: Sa mga landas ng ilaw na walang hadlang, ang mga filter ng kulay ay gumagawa ng mas tumpak at matingkad na mga tono.
• Compact Pixel Design: Sinusuportahan ng BSI ang mas maliit na laki ng pixel habang pinapanatili ang kalidad ng imahe, mainam para sa mga sensor na may mataas na resolusyon.
• Pinahusay na Dynamic Range: Mas mahusay na pagkuha ng signal sa parehong maliwanag at malabo na mga rehiyon ng isang eksena.
Paghahambing ng Kahusayan ng Ilaw at Pagiging Sensitibo
| Tampok | FSI CMOS Sensor | BSI Sensor |
|---|---|---|
| Landas ng Liwanag | Ang liwanag ay dumadaan sa mga kable → bahagyang pagkawala | Direkta sa photodiode → minimal na pagkawala |
| Kahusayan ng Quantum (QE) | 60–70% | 90-100% |
| Pagganap ng Mababang Ilaw | Katamtaman | Napakahusay |
| Pagmumuni-muni at Crosstalk | Mataas | Mababa |
| Kalinawan ng Imahe | Average | Matalim at maliwanag sa malabong liwanag |
Pixel Shrink at Punan ang Kadahilanan
Sa FSI CMOS Sensors
Habang ang laki ng pixel ay bumaba sa ibaba ng 1.4 μm, ang mga interconnect ng metal at transistors ay sumasakop sa isang mas malaking lugar sa ibabaw. Ang punan kadahilanan ay bumababa, na nagreresulta sa mas kaunting liwanag na nakuha sa bawat pixel at nadagdagan ang ingay ng imahe. Ang resulta ay mas madidilim na mga imahe, nabawasan ang kaibahan, at mas mahina ang pagganap sa mga kondisyon ng mababang ilaw.
Sa BSI CMOS Sensors
Ang photodiode ay nakaposisyon sa itaas ng mga kable, na nagpapahintulot sa liwanag na tamaan ito nang direkta. Ang pagsasaayos na ito ay nakakamit ang isang halos 100% na punan kadahilanan, nangangahulugang halos ang buong lugar ng pixel ay nagiging sensitibo sa ilaw. Ang mga sensor ng BSI ay nagpapanatili ng pare-parehong liwanag at isang mas mataas na signal-to-noise ratio (SNR) sa buong frame ng imahe. Naghahatid din sila ng higit na mahusay na pagganap ng mababang ilaw, kahit na sa mga compact module tulad ng smartphone o drone camera.
Crosstalk, Ingay, at Backside Diffusion
| Aspeto | Mga Potensyal na Isyu sa Mga Sensor ng CMOS (FSI) | Mga Potensyal na Isyu sa BSI Sensors | Mga Solusyon sa Engineering | Epekto sa Kalidad ng Imahe |
|---|---|---|---|---|
| Optical Crosstalk | Ang liwanag ay nakakalat o hinarangan ng mga kable ng metal bago maabot ang photodiode, na nagiging sanhi ng hindi pantay na pag-iilaw. | Ang liwanag ay tumagas sa mga kalapit na pixel dahil sa pagkakalantad sa likod. | Deep Trench Isolation (DTI): Lumilikha ng mga pisikal na hadlang sa pagitan ng mga pixel upang maiwasan ang optical interference. | Mas matalas na mga imahe, mas mahusay na paghihiwalay ng kulay, at nabawasan ang paglabo. |
| Pagsasama ng Singil | Ang mga carrier ng singil ay nawala sa loob ng makapal na silikon o metal layer, na nagpapababa ng sensitivity. | Backside Recombination: Ang mga carrier ay muling nagsasama malapit sa nakalantad na ibabaw bago kolektahin. | Passivation Layers & Surface Treatment: Bawasan ang mga depekto at pagbutihin ang koleksyon ng singil. | Pinahusay na pagiging sensitibo at nabawasan ang pagkawala ng signal. |
| Epekto ng Pamumulaklak | Ang labis na pagkakalantad sa isang pixel ay nagiging sanhi ng mga katabing pixel na saturate dahil sa front-side diffusion. | Ang labis na pagkakalantad ay kumakalat ng singil sa ilalim ng manipis na layer ng silikon. | Surface Doping & Charge Barriers: Maglaman ng singil at maiwasan ang pag-apaw ng tubig. | Nabawasan ang mga puting guhitan at mas makinis na mga highlight. |
| Ingay ng Elektrikal at Thermal | Ang init mula sa on-pixel transistors ay bumubuo ng ingay sa landas ng signal. | Mas mataas na ingay ng pagbaril dahil sa manipis na silikon at siksik na circuitry. | Mababang-ingay amplifiers & on-chip ingay pagbabawas algorithm. | Mas malinis na mga imahe, pinahusay na pagganap ng mababang ilaw. |
| Limitasyon ng Punan ang Kadahilanan | Ang mga layer ng metal at transistor ay sumasaklaw sa isang malaking lugar ng pixel, na binabawasan ang pagiging sensitibo sa ilaw. | Halos matanggal - photodiode ganap na nakalantad sa liwanag. | BSI Istraktura & Microlens Optimization. | Maximum na pagkuha ng ilaw at pare-pareho ang liwanag. |
Mula sa BSI hanggang sa Stacked CMOS Architectures
Istraktura ng isang Stacked CMOS Sensor
| Layer | Pag-andar | Paglalarawan |
|---|---|---|
| Nangungunang Layer | Pixel Array (BSI Design) | Naglalaman ng mga photodiode na sensitibo sa liwanag na kumukuha ng papasok na ilaw, gamit ang isang istraktura ng BSI upang i-maximize ang pagiging sensitibo. |
| Gitnang Layer | Analog / Digital Circuitry | Hinahawakan ang signal conversion, amplification, at mga gawain sa pagpoproseso ng imahe nang hiwalay mula sa pixel array para sa mas malinis na mga output. |
| Ibaba na Layer | Pagsasama ng Memorya o Processor | Maaaring isama ang naka-embed na DRAM o AI processing cores para sa mabilis na data buffering at real-time na pagpapahusay ng imahe. |
Mga Pakinabang ng Stacked CMOS Sensors
• Ultra-Fast Readout: Pinapayagan ang high-speed na tuloy-tuloy na pagbaril at aktwal na pagkuha ng video hanggang sa 4K o 8K na mga resolusyon na may minimal na pagbaluktot ng rolling shutter.
• Pinahusay na Pagproseso ng On-Chip: Pinagsasama ang mga logic circuit na nagsasagawa ng pagsasama ng HDR, pagwawasto ng paggalaw, at pagbawas ng ingay nang direkta sa sensor.
• Kahusayan sa Enerhiya: Ang mas maikling mga landas ng data at independiyenteng mga domain ng kuryente ay nagpapabuti sa throughput habang binabawasan ang pagkonsumo ng kuryente.
• Mas maliit na Form Factor: Pinapayagan ng vertical stacking ang disenyo ng compact module na perpekto para sa mga smartphone, automotive camera, at drone.
• Suporta sa AI at Computational Imaging: Ang ilang mga nakasalansan na sensor ay may kasamang mga dedikadong neural processor para sa matalinong autofocus, pagkilala sa eksena, at real-time na pagpapahusay.
Dynamic na Hanay at Pagganap ng Kulay sa CMOS vs BSI Sensors
BSI (Backside-Illuminated) Sensors
Sa pamamagitan ng pag-aalis ng mga kable ng metal sa itaas ng photodiode, pinapayagan ng mga sensor ng BSI ang mga photon na maabot ang lugar na sensitibo sa liwanag nang direkta. Ang istraktura na ito ay nagdaragdag ng buong kapasidad ng balon, pagpapabuti ng pagsipsip ng ilaw at pag-minimize ng pag-clip ng highlight. Bilang isang resulta, ang mga sensor ng BSI ay nag-aalok ng higit na mahusay na pagganap ng HDR, mas mahusay na lalim ng kulay, at mas pinong gradation ng anino, na ginagawang pinakamahusay para sa HDR photography, medikal na imaging, at mababang-ilaw na pagsubaybay.
FSI (Front-Side Illuminated) Sensors
Sa kabilang banda, ang mga sensor ng FSI ay nangangailangan ng ilaw upang dumaan sa ilang mga layer ng circuitry bago maabot ang photodiode. Nagdudulot ito ng bahagyang pagmumuni-muni at pagkalat, na naglilimita sa dynamic na saklaw at kakayahan sa pagma-map ng tono. Ang mga ito ay mas madaling kapitan ng labis na pagkakalantad sa maliwanag na kondisyon at madalas na gumagawa ng hindi gaanong tumpak na kulay sa malalim na anino.
Mga Application ng CMOS vs BSI Sensors
Mga Sensor ng CMOS (FSI)
• Machine vision
• Inspeksyon sa industriya
• Medikal na endoscopy
• Mga camera ng pagsubaybay
Mga Sensor ng BSI
• Mga smartphone
• Mga digital na camera
• Automotive ADAS
• Astronomy at pang-agham imaging
● 8K pag-record ng video
Mga Pag-unlad sa Hinaharap sa CMOS vs BSI Sensors
• Pinagsasama ng mga 3D-stacked na disenyo ang mga layer ng pixel, lohika, at memorya para sa ultra-mabilis na pagbabasa at imahe na hinihimok ng AI.
• Ang mga pandaigdigang sensor ng BSI ng shutter ay nag-aalis ng pagbaluktot ng paggalaw para sa robotics, drone, at mga sistema ng automotive.
• Ang mga organikong CMOS at quantum-dot sensor ay naghahatid ng mas mataas na sensitivity, mas malawak na tugon sa spectral, at mas mayamang kulay.
• Ang pagproseso ng AI sa sensor ay nagbibigay-daan sa real-time na pagbawas ng ingay, pagtuklas ng bagay, at adaptive exposure control.
• Pinagsasama ng mga hybrid imaging platform ang mga pakinabang ng CMOS at BSI, pagpapabuti ng dynamic na saklaw at pagbabawas ng paggamit ng kuryente.
Konklusyon
Ang mga sensor ng CMOS at BSI ay nagbago ng modernong imaging, kasama ang BSI na nag-aalok ng mas mataas na pagiging sensitibo sa ilaw, mas kaunting ingay, at mas mahusay na katumpakan ng kulay. Ang pagtaas ng nakasalansan na CMOS at AI-integrated sensors ay higit na nagpapahusay sa bilis, kalinawan ng imahe, at dynamic na saklaw. Sama-sama, ang mga teknolohiyang ito ay patuloy na nagsusulong ng potograpiya, pagsubaybay, at pang-agham na imaging na may higit na katumpakan at kahusayan.
Mga Madalas Itanong
Anong mga materyales ang ginagamit sa mga sensor ng CMOS at BSI?
Parehong gumagamit ng silicon wafers. Kasama rin sa mga sensor ng BSI ang mga manipis na layer ng silikon, microlenses, at metal interconnects para sa mas mahusay na pagsipsip ng ilaw.
Aling uri ng sensor ang gumagamit ng mas maraming lakas?
Ang mga sensor ng BSI ay kumonsumo ng mas maraming kapangyarihan dahil sa kanilang kumplikadong disenyo at mas mabilis na pagproseso ng data, bagaman ang mga modernong disenyo ay nagpapabuti ng kahusayan.
Bakit mas mahal ang mga sensor ng BSI kaysa sa CMOS?
Ang mga sensor ng BSI ay nangangailangan ng karagdagang mga hakbang sa pagmamanupaktura, tulad ng pagnipis ng wafer at tumpak na pagkakahanay ng layer, na ginagawang mas mahal ang mga ito upang makabuo.
Paano hinahawakan ng mga sensor na ito ang init?
Ang mataas na temperatura ay nagdaragdag ng ingay sa parehong mga sensor. Ang mga disenyo ng BSI ay kadalasang may kasamang mas mahusay na thermal control upang mapanatiling matatag ang kalidad ng imahe.
Maaari bang makita ng mga sensor ng CMOS at BSI ang infrared light?
Oo. Kapag nilagyan ng IR-sensitibo coatings o filter tinanggal, parehong maaaring makita ang infrared, na may BSI na nagpapakita ng mas mahusay na IR sensitivity.
Ano ang layunin ng mga microlens sa mga sensor ng imahe?
Ang mga microlens ay gumagabay sa liwanag nang direkta sa photodiode ng bawat pixel, na nagpapabuti sa liwanag at kahusayan sa mas maliit na mga sensor ng BSI.