Beeldsensoren zijn vereist in camera's, van telefoons tot telescopen, om licht op te vangen en om te zetten in afbeeldingen. CMOS- (Front-Side Illuminated) en BSI-sensoren (Backside-Illuminated) werken volgens vergelijkbare principes, maar verschillen in structuur, wat van invloed is op lichtopname, ruis en kleurkwaliteit. In dit artikel worden hun ontwerpen, prestaties, toepassingen en toekomstige ontwikkelingen in detail uitgelegd.
CC7. Van BSI naar gestapelde CMOS-architecturen
CMOS vs BSI Sensor Overzicht
Elke camera, van de smartphone in je zak tot de telescopen die verre sterrenstelsels verkennen, hangt af van hoe efficiënt de beeldsensor licht opvangt. Zowel CMOS- als BSI-sensoren volgen vergelijkbare halfgeleiderprincipes, maar hun structurele verschillen leiden tot grote variaties in lichtgevoeligheid, ruisprestaties en beeldkwaliteit. In traditionele CMOS-sensoren (Front-Side Illuminated, FSI) zitten metalen bedrading en transistors boven de fotodiodes, waardoor binnenkomend licht gedeeltelijk wordt geblokkeerd en de algehele gevoeligheid wordt verminderd. Dit ontwerp maakt CMOS-sensoren kosteneffectief en gemakkelijker te produceren, maar beperkt de prestaties bij weinig licht. BSI-sensoren (Back-Side Illuminated) daarentegen draaien de structuur om en plaatsen de fotodiode er bovenop zodat het licht er direct en zonder belemmering op valt. Dit verbetert de kwantumefficiëntie, vermindert ruis en verbetert de prestaties in compacte of geavanceerde beeldvormingssystemen, van DSLR-camera's tot wetenschappelijke instrumenten.
CMOS-sensorarchitectuur
Een Front-Side Illuminated (FSI) CMOS-sensor vertegenwoordigt de eerdere en meer conventionele beeldsensorstructuur die wordt gebruikt in digitale camera's en smartphones. In deze architectuur moet binnenkomend licht door meerdere lagen materialen gaan voordat het de fotodiode bereikt, het lichtgevoelige gebied dat verantwoordelijk is voor het omzetten van fotonen in elektrische signalen.
Werkproces
Elke pixel in het scherm werkt via een gecoördineerd proces met microlenzen, kleurfilters, metalen verbindingen, transistors en een fotodiodelaag. De microlenzen richten eerst binnenkomend licht door de rode, groene en blauwe kleurenfilters, zodat alleen specifieke golflengten elke subpixel bereiken. Boven de fotodiode beheren metalen interconnects en transistors de elektrische besturing en signaaluitlezing van de pixel, hoewel hun positie een deel van het binnenkomende licht gedeeltelijk kan blokkeren. Onder deze lagen ligt de fotodiode, die het resterende licht opvangt en omzet in een elektrische lading, die het basisbeeldsignaal van de pixel vormt.
Beperkingen van FSI-ontwerp
• Verminderde lichtgevoeligheid: Een deel van het licht wordt gereflecteerd of geabsorbeerd door de bedrading en transistorlagen voordat het de fotodiode kan bereiken.
• Lagere vulfactor: Naarmate de pixelgrootte kleiner wordt, neemt de verhouding van het lichtgevoelige gebied tot het totale pixelgebied af, wat leidt tot meer ruis.
• Zwakkere prestaties bij weinig licht: FSI-sensoren hebben het moeilijk in schemerige omgevingen in vergelijking met moderne alternatieven zoals BSI-sensoren.
In de BSI CMOS-sensor
De Backside-Illuminated (BSI) CMOS-sensor bracht een revolutie teweeg in digitale beeldvorming door het grote nadeel van traditionele Front-Side Illuminated (FSI) ontwerpen aan te pakken, namelijk lichtblokkering door metalen bedrading en transistors. Door de structuur van de sensor om te keren, zorgt BSI ervoor dat binnenkomend licht de fotodiode rechtstreeks bereikt, waardoor de lichtefficiëntie en beeldkwaliteit aanzienlijk worden verbeterd.
BSI-technologiefunctie
• De siliciumwafer wordt uitgedund tot slechts enkele micrometers om de lichtgevoelige laag bloot te leggen
• De fotodiodelaag bevindt zich aan de bovenzijde, direct naar het invallende licht gericht
• De metalen bedradings- en transistorcircuits zijn naar de achterkant verplaatst, waardoor ze de lichtpaden niet kunnen belemmeren
• Geavanceerde microlenzen zijn precies uitgelijnd over elke pixel voor een optimale lichtfocussering
Voordelen van BSI-sensoren
• Hogere lichtabsorptie-efficiëntie: Tot 30-50% verbetering in vergelijking met FSI-sensoren, wat resulteert in helderdere en schonere beelden.
• Superieure prestaties bij weinig licht: verminderd fotonverlies verbetert de gevoeligheid en minimaliseert ruis in donkere omgevingen.
• Verbeterde kleurnauwkeurigheid: met onbelemmerde lichtpaden produceren kleurfilters nauwkeurigere en levendigere tinten.
• Compact pixelontwerp: BSI ondersteunt kleinere pixelgroottes met behoud van beeldkwaliteit, ideaal voor sensoren met een hoge resolutie.
• Verbeterd dynamisch bereik: betere signaalopname in zowel lichte als zwakke delen van een scène.
Vergelijking van lichtefficiëntie en gevoeligheid
| Functie | FSI CMOS-sensor | BSI-sensor |
|---|---|---|
| Lichtpad | Licht gaat door bedrading → gedeeltelijk verlies | Direct naar fotodiode → minimaal verlies |
| Kwantumefficiëntie (QE) | 60-70% | 90-100% |
| Prestaties bij weinig licht | Matig | Uitstekend |
| Reflectie & Overspraak | Hoog | Laag |
| Helderheid van het beeld | Gemiddeld | Scherp en helder bij weinig licht |
Pixel verkleinen en vulfactor
In FSI CMOS-sensoren
Naarmate de pixelgrootte onder de 1,4 μm daalt, nemen de metalen verbindingen en transistors een groter oppervlak in beslag. De vulfactor neemt af, waardoor er minder licht per pixel wordt opgevangen en er meer beeldruis is. Het resultaat zijn donkerdere beelden, minder contrast en zwakkere prestaties bij weinig licht.
In BSI CMOS-sensoren
De fotodiode bevindt zich boven de bedrading, waardoor het licht er direct op valt. Deze configuratie bereikt een vulfactor van bijna 100%, wat betekent dat bijna het hele pixelgebied lichtgevoelig wordt. BSI-sensoren behouden een uniforme helderheid en een hogere signaal-ruisverhouding (SNR) over het hele beeldframe. Ze leveren ook superieure prestaties bij weinig licht, zelfs in compacte modules zoals smartphone- of dronecamera's.
Overspraak, ruis en diffusie aan de achterkant
| Aspect | Mogelijke problemen in CMOS-sensoren (FSI) | Mogelijke problemen in BSI-sensoren | Technische oplossingen | Impact op de beeldkwaliteit |
|---|---|---|---|---|
| Optische overspraak | Licht wordt verstrooid of geblokkeerd door metalen bedrading voordat het de fotodiode bereikt, waardoor een ongelijkmatige verlichting ontstaat. | Licht lekt in aangrenzende pixels als gevolg van belichting aan de achterkant. | Deep Trench Isolation (DTI): Creëert fysieke barrières tussen pixels om optische interferentie te voorkomen. | Scherpere beelden, betere kleurscheiding en minder vervaging. |
| Lading recombinatie | Ladingsdragers gaan verloren in dikke silicium- of metaallagen, waardoor de gevoeligheid wordt verlaagd. | Achterkant Recombinatie: Dragers recombineren in de buurt van het blootgestelde oppervlak voordat ze worden verzameld. | Passiveringslagen en oppervlaktebehandeling: Verminder defecten en verbeter de ladingsverzameling. | Verbeterde gevoeligheid en verminderd signaalverlies. |
| Bloeiend effect | Overbelichting in één pixel zorgt ervoor dat aangrenzende pixels verzadigd raken als gevolg van diffusie aan de voorkant. | Overbelichting verspreidt lading onder de uitgedunde siliciumlaag. | Oppervlaktedoping- en ladingsbarrières: Houden de lading in bedwang en voorkomen overloop. | Verminderde witte strepen en vloeiendere highlights. |
| Elektrische & Thermische Geluidsoverlast | Warmte van on-pixel transistors genereert ruis in het signaalpad. | Hogere opnameruis als gevolg van dun silicium en dichte circuits. | Geluidsarme versterkers en on-chip algoritmen voor ruisonderdrukking. | Schonere beelden, verbeterde prestaties bij weinig licht. |
| Beperking van de vulfactor | Metaallagen en transistors bedekken een groot pixelgebied, waardoor de lichtgevoeligheid wordt verminderd. | Bijna geëlimineerd - fotodiode volledig blootgesteld aan licht. | BSI-structuur en optimalisatie van microlenzen. | Maximale lichtopname en uniforme helderheid. |
Van BSI naar gestapelde CMOS-architecturen
Structuur van een gestapelde CMOS-sensor
| Laag | Functie | Beschrijving |
|---|---|---|
| Toplaag | Pixel-array (BSI-ontwerp) | Bevat de lichtgevoelige fotodiodes die binnenkomend licht opvangen, met behulp van een BSI-structuur om de gevoeligheid te maximaliseren. |
| Middelste laag | Analoge/Digitale Schakelingen | Verwerkt signaalconversie-, versterkings- en beeldverwerkingstaken afzonderlijk van de pixelarray voor schonere uitvoer. |
| Onderste laag | Integratie van geheugen of processor | Kan ingebedde DRAM- of AI-verwerkingskernen bevatten voor snelle gegevensbuffering en real-time beeldverbetering. |
Voordelen van gestapelde CMOS-sensoren
• Ultrasnelle uitlezing: maakt continu-opnamen met hoge snelheid en daadwerkelijke video-opname tot 4K- of 8K-resoluties mogelijk met minimale rolling shutter-vervorming.
• Verbeterde verwerking op de chip: Integreert logische circuits die HDR-samenvoeging, bewegingscorrectie en ruisonderdrukking rechtstreeks op de sensor uitvoeren.
• Energie-efficiëntie: kortere datapaden en onafhankelijke energiedomeinen verbeteren de • doorvoer en verminderen het stroomverbruik.
• Kleinere vormfactor: Verticaal stapelen maakt een compact moduleontwerp mogelijk, ideaal voor smartphones, autocamera's en drones.
• Ondersteuning voor AI en computationele imaging: sommige gestapelde sensoren bevatten speciale neurale processors voor intelligente autofocus, scèneherkenning en realtime verbetering.
Dynamisch bereik en kleurprestaties in CMOS- versus BSI-sensoren
BSI (backside-illuminated) sensoren
Door metalen bedrading boven de fotodiode te elimineren, zorgen BSI-sensoren ervoor dat fotonen het lichtgevoelige gebied rechtstreeks kunnen bereiken. Deze structuur verhoogt de capaciteit van de volledige put, verbetert de lichtabsorptie en minimaliseert het knippen van highlights. Als gevolg hiervan bieden BSI-sensoren superieure HDR-prestaties, betere kleurdiepte en fijnere schaduwgradatie, waardoor ze ideaal zijn voor HDR-fotografie, medische beeldvorming en bewaking bij weinig licht.
FSI (Front-Side Illuminated) sensoren
FSI-sensoren daarentegen hebben licht nodig om door verschillende lagen circuits te gaan voordat het de fotodiode bereikt. Dit veroorzaakt gedeeltelijke reflectie en verstrooiing, wat het dynamisch bereik en de tonemapping-mogelijkheden beperkt. Ze zijn vatbaarder voor overbelichting in heldere omstandigheden en produceren vaak minder nauwkeurige kleuren in diepe schaduwen.
Toepassingen van CMOS versus BSI-sensoren
CMOS (FSI) sensoren
• Machine visie
• Industriële inspectie
• Medische endoscopie
• Bewakingscamera's
BSI-sensoren
• Smartphones
• Digitale camera's
• ADAS voor de automobielindustrie
•Astronomie en wetenschappelijke beeldvorming
• 8K video-opname
Toekomstige ontwikkelingen in CMOS versus BSI-sensoren
• 3D-gestapelde ontwerpen combineren pixel-, logica- en geheugenlagen voor ultrasnelle uitlezing en AI-gestuurde beeldvorming.
• Global shutter BSI-sensoren elimineren bewegingsvervorming voor robotica, drones en autosystemen.
• Organische CMOS- en quantumdot-sensoren zorgen voor een hogere gevoeligheid, een bredere spectrale respons en rijkere kleuren.
• AI-verwerking op de sensor maakt realtime ruisonderdrukking, objectdetectie en adaptieve belichtingsregeling mogelijk.
• Hybride beeldvormingsplatforms combineren de voordelen van CMOS en BSI, waardoor het dynamisch bereik wordt verbeterd en het stroomverbruik wordt verminderd.
Conclusie
CMOS- en BSI-sensoren hebben de moderne beeldvorming een nieuwe vorm gegeven, waarbij BSI een hogere lichtgevoeligheid, minder ruis en een betere kleurnauwkeurigheid biedt. De opkomst van gestapelde CMOS- en AI-geïntegreerde sensoren verbetert de snelheid, beeldhelderheid en dynamisch bereik nog verder. Samen blijven deze technologieën fotografie, bewaking en wetenschappelijke beeldvorming met grotere precisie en efficiëntie bevorderen.
Veelgestelde Vragen/FAQ
Welke materialen worden gebruikt in CMOS- en BSI-sensoren?
Beide gebruiken siliciumwafels. BSI-sensoren bevatten ook verdunde siliciumlagen, microlenzen en metalen verbindingen voor een betere lichtabsorptie.
Welk sensortype verbruikt meer stroom?
BSI-sensoren verbruiken meer stroom vanwege hun complexe ontwerp en snellere gegevensverwerking, hoewel moderne ontwerpen de efficiëntie verbeteren.
Waarom zijn BSI-sensoren duurder dan CMOS?
BSI-sensoren vereisen extra productiestappen, zoals het dunner worden van de wafer en nauwkeurige uitlijning van de laag, waardoor ze duurder zijn om te produceren.
Hoe gaan deze sensoren om met warmte?
Hoge temperaturen verhogen de ruis in beide sensoren. BSI-ontwerpen bevatten vaak een betere thermische regeling om de beeldkwaliteit stabiel te houden.
Kunnen CMOS- en BSI-sensoren infrarood licht detecteren?
Ja. Wanneer ze zijn uitgerust met IR-gevoelige coatings of verwijderde filters, kunnen beide infrarood detecteren, waarbij BSI een betere IR-gevoeligheid vertoont.
Wat is het doel van microlenzen op beeldsensoren?
Microlenzen geleiden het licht rechtstreeks naar de fotodiode van elke pixel, waardoor de helderheid en efficiëntie in kleinere BSI-sensoren worden verbeterd.