[发明专利]一种紧凑型高帧率图像传感器系统及其成像方法

说明书

本发明提供一种紧凑型高帧率图像传感器系统，包括堆叠的CMOS半导体电路芯片。其中，底部芯片包括光敏区域阵列和图像捕获结构；顶部芯片包括图像处理和逻辑电路，以快速提取由边界检测滤波器确定的图像或图像的主要特征。所述图像传感器系统还包括编译工具，用于向可编程滤波器提供编程参数，以针对特定运动检测应用优化该图像传感器。本发明还提供一种紧凑型高帧率图像传感器系统成像方法。

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及采用半导体电路芯片堆叠的CMOS图像传感器及其成像方法。

背景技术

图像捕获装置包括图像传感器和成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，图像传感器将光信号转换成电信号。图像捕获装置输出电信号给主机系统的其他组件。图像捕获装置和主机系统的其他组件形成图像传感器系统或成像系统。图像传感器的应用已经非常普遍，可以应用在各种电子系统中，例如移动设备，数码相机，医疗设备或计算机。

典型的图像传感器包括二维阵列排列的多个光敏元素（“像素”）。这种图像传感器可以被配置为通过在像素上形成滤色器阵列（CFA）来产生彩色图像。用于制造图像传感器的技术，特别是制造互补型金属氧化物半导体（“CMOS”）图像传感器的技术持续快速的发展。比如，高分辨率和低功耗的要求促进了这种图像传感器的进一步小型化和集成化。然而，小型化的同时会牺牲像素光敏性和动态范围，因此需要新的方法来解决这个问题。

随着像素尺寸的减小，对于一些光，尤其是长波光，基板内的总光吸收深度变得不足。这对于采用背照式（BSI）技术的图像传感器而言，当图像光入射在传感器基板的背面上时，尤其是个问题。在背照式（BSI）技术中，传感器硅基板可能仅为2微米厚，其足以吸收蓝光但非常不足以吸收可能需要10微米厚度才能被完全吸收的红光。

形成所谓的堆叠式图像传感器已众所周知。在这种类型的典型布置中，像素阵列的光电二极管或其他光敏元件被形成在第一半导体晶粒或基板中，而用于处理光敏元件信号的相关读取电路被形成在第二半导体晶粒或基板中，其中第二半导体晶粒或基板直接覆盖在第一半导体晶粒或基板上。第一半导体晶粒或基板和第二半导体晶粒或基板在这里通常被分别称为传感芯片和电路芯片。更确切地说，在校准相关的晶片间电气连接之后，第一半导体晶粒和第二半导体晶粒与堆叠的第一半导体晶片和第二半导体晶片上的其他类似晶粒一起形成，并且被切粒或切割成通常称为半导体芯片的堆叠组件。在本发明公开要求保护的图像传感器中，光敏元件和读取电路使用同一基板。当堆叠两个芯片时，应当理解，在一种通常的实施例中，将两个晶片堆叠并切割成芯片，并保持堆叠以形成电气系统，例如，堆叠式图像传感器。然而，也可以将从第一半导体晶片取出的各个芯片堆叠到仍处于晶片形式的其他芯片上，或者甚至堆叠两个芯片。此外，耦合到传感器和电路晶片的晶片间电互连可以称为芯片间互连，而晶片内互连和芯片内互连分别是指位于相同晶片和芯片上的器件之间形成的互连。这种布置的优点与未堆叠的布置相比，所得到的图像传感器系统所占据的区域更小。另一个优点在于，可以使用不同的制造方法和材料来制造每个芯片以允许独立优化。

用于读取传感器芯片上产生的图像信号的两种最常用的方法是滚动快门模式和全局快门模式。滚动快门模式涉及在不同时间曝光传感器阵列的不同线并以所选择的顺序读出这些线。全局快门模式涉及同时曝光每个像素并持续相同的时间，类似于传统“快照”相机上机械快门的操作方式。现有技术数字成像系统要么使用滚动快门读取模式，要么使用全局快门读取模式。然而，能够具有两种读取模式的成像系统将是有利的，且其中读取模式可由操作者选择操作。