Är det dags för CCD-sensorerna att lämna plats till förmån för CMOS-tekniken? Förmodligen inte ännu.

Istället skapar CMOS-sensorer utrymme för nya tillämpningar där låg effekt och lågt pris är orubbliga krav.


Idag sitter det CCD-sensorer i de allra flesta produkter som kräver bildsensorer. De har mutat in en plats i allt från videokameror, webb-kameror och digitala stillbildskameror till avsyningssystem inom industrin.

Men CCD-tekniken (charged-coupled devices) - som numera har närmare 30 år på nacken - har många karaktärsdrag som gör den mindre lämpad att använda i framtida billiga och bärbara produkter. Istället hoppas och tror en mängd företag, däribland en handfull välkända halvledartillverkare, att det är sensorer sprungna ur dagens CMOS-process som skall ta plats i morgondagens konsumentelektronik.



Det mesta talar för CMOS


Vad är det då som gör CMOS-sensorn så intressant vid en jämförelse med CCD? Jo, faktiskt det mesta. Åtminstone så länge effektförbrukning, storlek och kostnad är av betydelse för slutprodukten.

En fullständig lösning baserad på en CMOS-sensor är redan nu fem gånger billigare samt tio gånger mindre effektslukande än motsvarande CCD-lösning. Och gapet kommer att bli större, hävdar CMOS-anhängarna.

Den kanske största fördelen med CMOS är att alla nödvändiga funktioner, analoga som digitala, kan integreras på samma chips. Siemens har just släppt en första enchipskamera med inbyggd sensor, AD-omvandling och signalbehandling.

På en CCD-sensor, som är uppbyggd i en FET-struktur, kan inga kringfunktioner över huvud taget integreras. En liknande lösning kräver istället mellan tre och åtta kringkretsar samt ett flertal spänningsnivåer mellan 5 och 15 V för att klocka ut laddningen.



Halvledarföretagen kan CMOS


Ytterligare ett starkt argument för CMOS är att det är en standardprocess som de allra flesta halvledartillverkare behärskar och ständigt utvecklar. Processen kommer därmed att krympas med automatik framöver, vilket i hög grad gagnar sensorernas egenskaper.

De första sensorerna byggdes i mikrometer-storlek med passiv pixelteknik, alltså enbart ett ljuskänsligt element och en transistor som switchar ut laddningen till en kolumnbuss. Fördelen med den arkitekturen är att varje bildpunkt kan adresseras och läsas ut var och en för sig, istället för att hela matrisen måste läsas på en gång som hos en CCD-sensor.

Att kunna läsa ut enstaka bildpunkter är intressant i de flesta kameratillämpningar. Det medger att exempelvis ett mindre bildfönster kan läsas ut vid fokusering, eller att ljusstyrkan enkelt kan mätas från några få bildpunkter. Den extra transistorn tog dock alltför stor del av den totala pixelarean, vilket påverkade både sensorns känslighet och dess signalbrusförhållande.



En förstärkare i varje punkt


I och med att processgeometrierna successivt minskar, så minskar också problemet med att integrera transistorer direkt på pixelnivå. På senare tid har därför ett flertal CMOS-tillverkare övergått till att använda aktiv pixelteknik. Det innebär att åtminstone en förstärkare adderas till varje bildpunkt. På så sätt har också sensorernas prestanda kunnat höjas till samma nivå som hos dagens CCD:er.

På Stanford University har forskarna tagit ytterligare ett integrationssteg. De tittar på att integrera en AD-omvandlare vid varje bildpunkt. Varje AD- omvandlare förbrukar då ytterst lite effekt eftersom de enbart behöver arbeta med några få kilohertz.

Arkitekturen medger dessutom att man kan bygga godtyckligt stora sensormatriser i framtiden. För att demonstrera tekniken har man låtit bygga fyra testchips i 0,35 μm tillsammans med Hewlett-Packard, samt ett med Intel.

Förklaringen till att mer logik kan integreras i en bildpunkt är att det ljuskänsliga elementet inte kan krympas hur mycket som helst av rent optiska skäl. Gränsen för hur liten en bildpunkt kan göras ligger idag ner mot 6 μm. Därefter måste man börja använda dyr optik för att kunna samla in tillräckligt med ljus.

Konsekvensen blir att ljuselementet upptar en allt större andel av bildpunktens yta när processen krymper, varvid sensorn blir mer ljuskänslig samtidigt som en större del av bilden kan återskapas.

Ytterligare en fördel med finare processer är att kringfunktionernas area minskar jämfört med sensordelen. Idag är det inte ovanligt att AD-omvandlingen samt styr- och timingfunktionerna breder ut sig på betydligt mer än halva chipsytan.



Genombrott vid 0,35 mikrometer


Egentligen är ingen längre tveksam till att CMOS-sensorerna är framtidens bildsensor. Men det riktiga genombrottet lär dröja till dess att kretsarna börjar tillverkas i 0,35 μm eller än finare processer.

Å andra sidan innebär inte detta att CCD-sensorerna kommer att raderas ut från marknaden i ett slag. Dagens videokameratillverkare är exempel på företag som förmodligen kommer att hålla fast vid CCD-teknik ytterligare några år, eftersom samma företag vanligtvis också tillverkar CCD-sensorer.

Istället är det nya tillämpningar som i första hand kommer att ge CMOS- sensorerna den riktiga skjutsen. En webb-kamera i varje pc, mobiltelefoner med inbyggd kamera, fyra eller fem kameror i bilen och leksaker med inbyggda kameror är tillämpningar det talas mycket om just nu. Och det är inom dessa områden CMOS-sensorerna väntas dyka upp i oerhörda volymer.

Anna Wennberg