[发明专利]CMOS有源像素图像传感器及其校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，具体地讲，涉及CMOS有源像素图像传感器及其校准方法。

背景技术

互补型金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器（CIS）由于体积小、耗电量低和成本低等优势已经成为成像科技发展的主流，广泛地用于光学式鼠标、数码相机、可视电话、智能手机等上。

对于CMOS图像传感器而言，灵敏度和噪声是通常衡量一个数字图像传感器水平的两个重要参数，而由于噪声中的固定图形噪声（FPN）对于每一帧是不变的，这有点像通过网栅看东西，因此固定图形噪声的降低比瞬态噪声的降低更受到人们的重视。

现有的CIS技术是以像素阵列（pixel array）的形式组成的CMOS图像传感器，而像素阵列则是由许多像素单元排列而成，一般像素单元主要可区分为无源像素传感器（PPS）或有源像素传感器（APS）。由于有源像素传感器中的每个像素中增加了放大器，显著地增大了传感器速度并且改善了其信噪比，使得有源像素传感器被广泛应用，目前有源像素传感器的主要类型依据其具有的晶体管的数量区分为3T结构及4T结构的像素传感器，简称为3T-APS和4T-APS。

由于较短的积分时间，灵敏度对于帧速率高于100帧/S的高速CIS而言至关重要。从电路级别上来讲，CIS像素的灵敏度取决于对光电流进行积分的电容器的大小。基于4T-APS的CIS在浮动漏极（floating drain，FD）上对光电流进行积分，该浮动漏极电容较大，通常为几个fF至10fF。基于3T-APS的CIS的积分电容更大。这些较大的积分电容将导致CIS灵敏度较小。在Gamal等的“CMOS image sensors”,IEEE Circuits&Devices Mag.,pp.6-20,May/Jun.2005中有关于基于4T-APS的CIS和基于3T-APS的CIS的介绍。

相对于CCD图像传感器而言，CMOS图像传感器的制造工艺与外围电路的相同，都是采用CMOS工艺技术，因此CMOS图像传感器更加易于集成为单个片上系统。而且，使用CMOS图像传感器，可以实现控制逻辑和定时、图像处理以及信号处理电路（诸如A/D转换）的单片集成，因此能够以较低的成本制造CMOS图像传感器。另外，CMOS器件仅需要单个电源供电，该电源也可以用于驱动外围电路，因此CMOS图像传感器功耗较低。然而，相对于CCD图像传感器而言，CMOS图像传感器的一个突出的缺点是固定图形噪声（FPN）大。FPN是由于列处理电路和像素电路之间的失配造成的。FPN包括偏移失配和增益失配。在现有CIS的列中，FPN列偏移通常在列中使用Delta Difference Sampling(DDS)来去除，该技术可参见Mendis等的“CMOS active pixel image sensors for highly integrated imaging systems”,IEEE J.Solid-State Circuits,Vol.32,pp.187-197,1997。在成像过程中，一些设计使用外部测试电压来测量列偏移和FPN增益，从而补偿失配。在“Circuit and method for cancellation of column pattern noise in CMOS imagers)”的美国专利第6,903,670B1号中有相关记载。

在本领域中，从未有过在电子域对像素之间的失配进行补偿的方法。由于像素阵列的大小在近年来迅速增加，补偿像素之间的失配的技术是必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种CMOS有源像素图像传感器及其校准方法，其针对当前基于三个晶体管或四个晶体管的CMOS有源像素图像传感器中存在的积分电容较大从而导致的CMOS图像传感器灵敏度较低的问题，提出了采用CMOS有源像素图像传感器制造工艺中的金属层之间或多晶硅层之间的寄生耦合所形成的小积分电容器作为CMOS图像传感器中的积分电容器来提高CMOS有源像素图像传感器的灵敏度；另外，本发明又针对小的寄生积分电容器会增大有源像素之间的失配从而增大CMOS有源像素图像传感器的固定图形噪声的问题，提出了在每个像素中配置一个用以向该像素引入已知的校准电流的开关从而借助于该已知的校准电流来精确地测量所选像素的偏移和固定图形噪声增益，实现像素级的校准，从而提供不仅灵敏度高而且具有改善的固定图形噪声补偿的CMOS有源像素图像传感器。