CMOS图像传感器CIS技术专利分析

CMOS 图像传感器 CIS 技术专利分析
 

0  引言

1990 年代末，步入 CMOS 时代。CMOS 图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）与传统的 CCD 图像传感器相比，具有低功耗、读出速度快、电压低、易于与其他图像处理电路集成的优点[1]。近年来 CIS 发展十分迅速，逐渐成为多数成像领域的主要选择。本文从专利技术分析出发，分析了 CIS 技术的全球和中国专利发展状况，以及主要申请人的专利申请情况，对 CIS 技术的技术演进路线做了梳理，并预测了 CIS 技术领域的发展方向，期望能为国内申请人在 CIS 技术发展指明方向。

1  专利态势分析

最早的 CIS 专利是在 1985 年日本松下申请的申请号为 JP12182685A 的申请，其为 CIS 的发展拉开了序幕。此后多年其专利产量相对较低，1985～1996 年期间 CIS 专利的年申请量仅为个位数，属于 CIS 专利技术的萌芽期。1997～1999 年期间处于缓慢发展期，2000～2006 年快速发展期，2005 年达到整个历史发展的顶峰，这与日本索尼在2005 年提出 BSI 技术有关。2006 年后专利申请量呈下降趋势，2011 年达到低谷，2012 年又出现小高潮一方面与 BSI 技术发展有关。另一方面与索尼在 2012 年提出堆叠式 CMOS 技术有关，2013～2017 年增加趋于平稳，表明 CIS 专利技术的发展逐渐趋于成熟。2007 年至今是 CIS 专利技术发展的成熟期。

2  国家分布以及主要申请人分析

专利百分比排名前五的国家分别为美国、中国、韩国、日本和德国，而其他国家的占比均在 1% 左右，而 2012 年之前的排名为美国、日本、韩国、中国和德国。短短几年中国专利申请量已经超过日韩位居世界第二。一方面是因为中国专利制度越来越完善，另一方面表明越来越多的公司开始重视中国这个巨大的市场。从各国在华专利分布来看，美日韩申请人一直关注中国市场，而中国本土的申请是国内申请的主要来源。

全球排名前六的申请人分别是索尼、东部电子、美格纳、东部高科、豪威以及美光，集中在美日韩。在华申请中排名前十的申请人为上海集成电路、中芯国际、东部亚南、台积电、东部高科、天津大学、索尼、豪威、上海华力微电子、格科微电子，有两位来自韩国，美日各占一名。一名来自台湾，其余五位来自国内。近年来中国专利申请增长虽然迅猛，但是申请比较分散，中国申请在 CIS 领域的专利布局还需加强。

3  技术演进

CIS 的发展主要分为四个阶段（图 2）。

第一阶段萌芽期（1985～1996 年）：在 1990 年代初，无源像素 CIS（PPS）作为第一代 CIS 进入市场，相对初期CIS，PPS 主要改善了信噪比。之后，有源像素 CIS（APS）作为第二代 CIS 相继出现，主要改善了读出噪声、读出速度，并在之后很长一段时间内，APS 一度成为 CIS 的研究焦点，这一时期专利数量不多。

第二阶段缓慢发展期（1997～1999 年）：在 1990 年代末，美国斯坦福大学提出了数字像素 CIS（DPS），使用像素级模数转换器和存储单元，最大程度降低信号在排列中的衰减和干扰，提升成像质量。卷帘快门技术也在这一时期出现，卷帘快门通过对每列像素使用 A/D 来提高读取速度，每列像素数量可达数千，缩短了读取时间提高了帧速率，但对动态物体会产生畸变。

第三阶段是快速发展期（2000～2006 年）：新技术层出不穷，2000 年全局快门技术出现，增加采样保持单元，动态物体无畸变，但引入了新噪音源。佳能提出一系列关于提高分辨的技术，东部电子提出了减少暗电流产生以及减少光刻次数的技术，三星提出了高速读取技术；索尼在 2005 年提出 BSI 技术[2-4]，加速了 CIS 技术的发展，随后索尼在结构缩减和性能提升方面不断改进，并将 BIS 技术应用到第五代 Exmor 产品中。在这一时期索尼还提出了在数字电路进行 CDS 改进以降低 CFPN 的系列技术[5,6]。

第四阶段发展成熟期（2007 年至今）：索尼将全局快门 CMOS 芯片小型化，三星改进 BIS 技术提升感光度，国际商业机器实现全局快门模式下背面照射，佳能提出在全局快门中为保持单元遮光消除新噪声源；2011 年索尼提出采用堆叠式 CIS 结构与 BSI 结构结合的新技术，并将其应用到第六代 Exmor 产品中。同年三星提出将 RGB 和 Z 像素设置在同一芯片上；2012 年索尼提出改进 RGBW 不损害质量提升灵敏度的技术；2015 年松下提出基于 APD 的 CIS 技术，在弱光环境中不需要增加曝光时间可实现高色阶彩色成像，但具有增大摄像头体积的缺点。从 2014 年开始，松下与富士耗时 5 年联合开发了 OPF CIS 技术；2016 高通也提出了一种 OPF 传感器，用 OPF 取代了光电二极管，将感光部分厚度从 3 μm 降到 0.5 μm，留下更多空间给电荷存储。2018 年松下提出基于 OPF 的双敏像素技术，采用两个 FD 连着大小不同的 OPF，分别存储了不同子像素电荷，这样可以构成双曝 HDR，进一步扩大传感器的动态范围。松下还将高速噪声消除技术以及高饱和度技术整合至电路，同时利用传感器的独特敏感度控制功能来改变施加到 OPF 的电压，实现全局快门功能。由于 AI 时代的到来，相对于过去拍摄的需求，需要增加感知功能，这样才能适应 AI 的广泛应用场景。

由于 OPF 传感器具有大动态范围、全局快门、光电转换灵活可控、对近红外光敏感等优点，OPF 传感器将成为下一代 CIS。

4  结语

CIS 技术的全球专利申请分为四个阶段，主要申请人集中在日美韩，其不仅研发时间早，专利申请数量多，还掌握了大部分核心技术。虽然我国对该技术的研究起步晚，但随着国内加大对于半导体人才培养的扶持力度，每年都有大量半导体人才诞生，国内企业在人才获取上的情况正在逐渐好转。

此外，许多企业对 CIS 技术也进行了大量的研究，尽管大多是在原有架构基础上的改进，但取得了不错的技术效果，并且有一部分厂商已经向 CIS 中高端市场迈进。虽然整体看来，我国本土 CIS 与国际巨头相比仍然存在差距，但本土 CIS 厂商可以利用新兴领域市场在中国的发展热潮，加强专利布局，重视核心技术的开发，来抢占未来 CIS 的发展机会。