أخبار

يعد تطوير مستشعرات الصور CMOS واحتمال استخدام تقنيات التصوير المتقدمة بتحسين جودة الحياة.مع الظهور السريع للمحول التناظري إلى الرقمي المتوازي (ADC) وتقنيات الإضاءة الخلفية (BI) ، تهيمن مستشعرات الصور CMOS حاليًا على سوق الكاميرات الرقمية ، بينما تستمر مستشعرات الصور CMOS المكدسة في توفير وظائف محسنة وتجربة المستخدم.تستعرض هذه الورقة الإنجازات الأخيرة لمستشعرات الصور المكدسة في تطور بنيات مستشعر الصور لتسريع تحسينات الأداء وتوسيع إمكانات الاستشعار والجمع بين الحوسبة المتطورة وتقنيات الأجهزة المكدسة المتنوعة.
تستخدم مستشعرات الصور حاليًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات.منذ اختراع الجهاز المقترن بالشحن (CCD) في عام 1969 ، انتشرت مستشعرات الصور ذات الحالة الصلبة إلى مجموعة متنوعة من الأسواق الاستهلاكية ، مثل كاميرات الفيديو المدمجة والكاميرات الرقمية.مستشعر صور CMOS ، الذي كان مستشعر الصورة ذو الحالة الصلبة السائد منذ 2005 ، يعتمد على التكنولوجيا المطورة لأجهزة CCD.بالإضافة إلى الهواتف الذكية ، التي تعد حاليًا أكبر سوق لمستشعرات الصور ، يتوسع الطلب على مستشعرات الصور بسرعة لتشمل كاميرات الشبكة للأمان ، ورؤية الماكينة لأتمتة المصنع ، وكاميرات السيارات للقيادة بمساعدة وأنظمة القيادة المستقلة.
تمثلت نقطة التحول الرئيسية في تقنية مستشعر الصور CMOS في التطوير الناجح لأجهزة استشعار الصورة ذات الإضاءة الخلفية (BI) ، والتي مكنت من تطوير هياكل مكدسة من مستشعرات الصور ، كما هو موضح في الشكل 1. في هيكل الإضاءة الأمامية الأصلي (FI) ، كان من الصعب تقليل حجم البكسل في المستشعر لأنه كان لابد من جمع الضوء الساقط بواسطة الثنائي الضوئي من خلال فجوة محاطة بخطوط معدنية.لقد حسنت الهياكل المضيئة الخلفية (BI) بشكل كبير من الحساسية وتسمح بالمرونة في توجيه المعدن ، وقد أصبح منتجًا شائعًا لأجهزة استشعار الصور بسبب الترابط الرقيق وتقنيات ترقق الرقائق المنتظمة للغاية.تتطور مستشعرات الصورة تدريجياً نحو الهياكل المكدسة ، حيث يتم دمج الدوائر المنطقية مباشرة على الرقاقة الأساسية.تسمح عملية التكديس بمستوى أعلى من تكامل المحولات التناظرية إلى الرقمية شديدة التوازي (ADCs) وعناصر معالجة الإشارات في عمليات CMOS الأكثر تقدمًا ، بغض النظر عن عملية الاستشعار المخصصة للديودات الضوئية بالبكسل.تستمر هياكل الأجهزة المكدسة في تغيير بنيات مستشعر الصورة بشكل كبير.

الشكل 1. هيكل مستشعر صورة CMOS.(أ) هيكل FI ، (ب) هيكل BI ، و (ج) هيكل مكدس مع vias.
تستعرض هذه الورقة الاتجاهات في بنى مستشعرات الصور مع الأجهزة المكدسة لتسريع تحسينات الأداء بشكل كبير ، وتوسيع قدرات الاستشعار ، ودمج قدرات الحوسبة المتطورة المتصلة بطبقة المستشعر.يقدم القسم الثاني بنى مستشعرات مختلفة لتكوينات الأجهزة المكدسة التي تتيح دقة بكسل عالية وتصوير بمعدل إطار عالٍ من خلال وحدات ADC متوازية للغاية ومتوازية.يقدم القسم 3 بعض دوائر البكسل المتقدمة التي تم تنفيذها باستخدام اتصالات Cu – Cu ذات درجة البكسل والتي تعتبر بالغة الأهمية لتحسين أداء البكسل بدقة بكسل عملية.تمكّن اتصالات Cu-Cu ذات درجة البكسل أيضًا بنى المستشعرات من التحرك نحو الرقمنة المتوازية للبكسل.يقدم القسم الرابع بعض التطورات في معماريات المستشعرات التي توسع قدرات الاستشعار ، مثل العمق المكاني ، واستشعار التباين الزمني ، والتصوير بالضوء غير المرئي.يقدم القسم الخامس مستشعرات الرؤية التي تدمج مسرعات الذكاء الاصطناعي (AI) على الحافة.أخيرًا ، يقدم القسم السادس بعض الاستنتاجات.
ثانيًا.التسجيل بأفلام أكثر من ميجا بكسل
يتطلب تسجيل الأفلام معدل إطارات لا يقل عن 30 أو 60 إطارًا في الثانية (fps) ، على الرغم من أن عدد وحدات البكسل يتزايد من تنسيق 2-megapixel عالي الدقة (HD) إلى تنسيق 8-megapixel 4K.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن توفر عملية معدل الإطارات الأعلى ، مثل 120 أو 240 أو 1000 إطارًا في الثانية (fps) ، تشغيلًا بالحركة البطيئة.منذ أن تم اقتراح بنية ADC الموازية للعمود في عام 1997 ، تحسنت معدلات الإطارات عن طريق زيادة عدد ADC الموازية وتسريع عملية ADC نفسها.تساعد الهياكل المكدسة على زيادة معدلات الإطارات إلى الحد الأقصى حيث يمكن تطبيق أفضل تقنية معالجة على وحدات بكسل المستشعر والأجهزة الطرفية.يتطلب تصنيع المستشعرات العديد من عمليات زرع الأيونات لتشكيل الثنائيات الضوئية والترانزستورات مع تسرب تقاطع منخفض.ومع ذلك ، تتطلب العملية المنطقية مقاومة منخفضة وترانزستورات عالية السرعة.بالنسبة للبكسل ، عادةً ما تكون ثلاث أو أربع طبقات من الأسلاك كافية ، ولكن يلزم وجود حوالي عشر طبقات من الأسلاك للدوائر المنطقية.يمكن لتقنية التكديس المستخدمة أن تخفف القيود المتضاربة لمستشعرات الصورة غير المكدسة على نفس الشريحة ، بما في ذلك وحدات البكسل المستشعرات والدوائر المنطقية.
أ. هندسة ADC ذات الرتبة المزدوجة
حاليًا ، تشتمل معظم مستشعرات صور CMOS على مجموعة من وحدات البكسل ، وآلاف من ADCs والدوائر المنطقية المنظمة في بنية موازية للعمود.كما هو مبين في الشكل 2 (أ) ، من خلال فتحات السيليكون (TSVs) الموجودة خارج صفيف البكسل ، تربط أعمدة البكسل بـ ADC بطريقة متوازية للغاية.في أول مستشعر صور CMOS مكدس تم تقديمه في عام 2013 ، تم تقسيم الأجزاء التناظرية والرقمية من العمود ADC إلى شرائح علوية وسفلية ، على التوالي ، كما هو موضح في الشكل 2 (ب).في عام 2015 ، تم اقتراح بنية ADC مزدوجة العمود وحققت معدل إطارات يبلغ 120 إطارًا في الثانية عند 16 ميجا بكسل ، حيث تم نقل العمود ADC بالكامل إلى الشريحة السفلية ، كما هو موضح في الشكل 2 (ج).يتم تصنيع شريحة المستشعر باستخدام عملية مخصصة لمستشعر 90 نانومتر للديودات الضوئية ، باستخدام منطق NMOS فقط.يتم تصنيع الرقائق المنطقية باستخدام عملية CMOS قياسية 65 نانومتر.نظرًا لأنه يمكن تنفيذ العمود ADC بشكل مستقل عن شريحة المستشعر ، يمكن دمج ADC بشكل كبير.بالإضافة إلى زيادة معدل الإطارات ، تُستخدم ADC المتوازية الزائدة لتقليل الضوضاء عن طريق حساب متوسط ​​تحويلات متعددة من التناظرية إلى الرقمية (AD) ، كما هو موضح في الشكل 3. يتم توزيع ناتج بكسل واحد على اثنين من وحدات ADC في وقت واحد ، والاثنان يتم تلخيص المخرجات الرقمية لإعادة إنتاج إطار الصورة.تختلف مراحل التوقيت لكل من ADCs اختلافًا طفيفًا لتحقيق تقليل الضوضاء عن طريق تقليل الارتباط بين إشاراتهما الصاخبة.

الشكل 2. تنفيذ حساس صورة CMOS مكدس.(أ) اتصال TSV بين الثنائي الضوئي والدائرة المنطقية.(ب) أول مستشعر صور CMOS مكدس.(ج) بنية ADC مزدوجة الرتبة.

الشكل 3. مخطط كتلة مبسط (يسار) وخصائص ضوضاء محسنة (يمين) لمعمارية ADC مزدوجة الرتبة.
مستشعر صورة CMOS مكدس ثلاثي الطبقات مع ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية (DRAM)
مع زيادة عدد وحدات البكسل و ADC المتوازية ، تقوم مستشعرات الصور بإخراج كميات كبيرة من البيانات.في عام 2017 ، تم اقتراح مستشعر صور CMOS مكدس ثلاثي الطبقات لتسجيل فيديو بطيء الحركة بسرعة 960 إطارًا في الثانية ، كما هو موضح في الشكل 4 ؛ترتبط الطبقات الثلاث من خلال فتحات السيليكون (TSVs) ، ويتم تخزين البيانات التي تم الحصول عليها من ADC المتوازي في الطبقة الثانية من DRAM لتحقيق التقاط الحركة البطيئة.للتسجيل بالحركة البطيئة للغاية ، يمكن تشغيل المستشعر بسرعة 960 إطارًا في الثانية بدقة Full HD بينما يتم تخزين البيانات الرقمية من ADC مؤقتًا في DRAM عبر ناقل بسرعة 102 جيجابت / ثانية.عندما يكتشف المستشعر مشغلات المستخدم أو الحركة السريعة في المشهد أثناء تصوير فيلم 30 إطارًا في الثانية ، تصبح سرعة القراءة 960 إطارًا في الثانية.يمكن تخزين ما يصل إلى 63 إطارًا من دقة الوضوح العالي الكامل في ذاكرة DRAM في وقت واحد وإخراج البيانات المخزنة أثناء التقاط الفيلم اللاحق.

الشكل 4. مستشعر صورة CMOS مكدس ثلاثي الطبقات مزود بالذاكرة الحيوية
C. للحصول على تقنية تشيب على رقاقة ذات تنسيق بصري كبير
تم تصنيع مستشعرات صورة CMOS المكدسة التي تم تقديمها حتى الآن في عملية ربط رقاقة على رقاقة (WoW).ومع ذلك ، نظرًا لأن أبعاد المستشعر والرقائق المنطقية يجب أن تكون هي نفسها ، فإن هذه العملية ليست دائمًا الخيار الأفضل ، خاصة بالنسبة للتنسيق البصري الكبير.تتضمن طريقة التراص الأخرى ربط CoW ، كما هو موضح في الشكل 5.تكون كفاءة المنطقة هي الأفضل في ربط WoW عندما تمتلئ شريحة منطقية بنفس حجم التنسيق البصري بالكامل بوحدات ADC شديدة التوازي وكتل بناء رقمية.ومع ذلك ، إذا كانت الدائرة المنطقية أصغر من التنسيق البصري ، فإن تكوين CoW يكون له أفضل كفاءة في المنطقة ، في حين أن تكوين WoW به مشكلات في التكلفة.

الشكل 5. كفاءة مساحة عمليات ربط WoW و CoW لأجهزة استشعار الصور ذات التنسيق البصري الكبير.
تم الإبلاغ عن مستشعر صورة CMOS مكدس باستخدام عملية ربط CoW [12] في عام 2016 ، مما يحقق مستشعر صورة مصراع عالمي لكاميرات البث بتنسيق بصري فائق 35 ملم.هنا ، تم تصميم شريحتين منطقيتين مقسمتين في عملية CMOS 65 نانومتر مع وحدات ADC متوازية وميكروبات صغيرة ومكدسة على شريحة مستشعر كبيرة مصممة خصيصًا لبيكسلات الغالق العالمية ، كما هو موضح في الشكل 6. شريحة منطقية مقطوعة ذات درجة عالية يتم توصيل نسبة العرض إلى الارتفاع بالمستشعر عبر مضخات صغيرة بخطوة 40 ميكرومتر.لذلك ، يبلغ العدد الإجمالي للوصلات حوالي 38000. يسمح المستشعر أيضًا بتشغيل حركة بطيئة فائقة بمعدل 480 إطارًا في الثانية عبر 8 ميغا بكسل.

الشكل 6. مستشعر صورة CMOS مكدس باستخدام عملية ربط CoW.
يوضح الشكل 7 اتجاهات الأداء لمستشعرات الصور الكبيرة ذات التنسيق البصري ، مع 50 ميجابكسل و 250 إطارًا في الثانية لمستشعرات الصور ذات التنسيق الكامل 35 مم في عام 2021. لزيادة عدد ADCs المتوازية وزيادة ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) بشكل تدريجي الإطار المؤقت ، يتم استخدام عملية WoW لتحقيق أداء عالٍ.من ناحية أخرى ، تُستخدم عملية CoW لموازنة كفاءة التكلفة مع أداء مستشعرات التنسيق البصري الكبيرة.تم تقديم مستشعر صور بحجم 3.6 بوصة أيضًا في عام 2021 مع 127 مليون بكسل وأربع شرائح منطقية مكدسة باستخدام عملية CoW.يتمثل التحدي التالي لعملية CoW في زيادة إنتاجية وضع الرقاقة على الرقاقة لزيادة الإنتاجية.

الشكل 7. اتجاهات الأداء لأجهزة استشعار الصور ذات التنسيق البصري الكبير.
ثالثا.العمارة المتوازية للبكسل
في القسم السابق ، تم استخدام بنية المستشعر باستخدام الأجهزة المكدسة بشكل أساسي لزيادة معدل الإطارات للبنية القائمة على ADC الموازية للعمود.يقدم هذا القسم بعض التطورات المستندة إلى البنيات المتوازية للبكسل باستخدام وصلات Cu – Cu ذات درجة دقيقة.هنا ، تم تغيير الاتصالات بين المستشعر والطبقات المنطقية من TSVs إلى وصلات Cu-Cu مرتبطة بالهجين ، كما هو موضح في الشكل 8 (أ).في تكوين TSV ، يتم توجيه خطوط الإشارة إلى الطبقة المنطقية على محيط صفيف البكسل.في المقابل ، يمكن دمج اتصالات Cu-Cu مباشرة تحت البكسل ، وتسمح هذه الاتصالات بزيادة عدد الاتصالات.يتم عرض أحدث الاتجاهات المتعلقة بتباعد اتصال Cu-Cu في الشكل 8 (ب).تتطلب عملية الترابط الهجين لمستشعرات الصور ملايين من اتصالات Cu-Cu بدون عيوب اتصال ، بينما يتناقص تباعد التلامس تدريجيًا مع الاتصال المستقر لعدد كبير من جهات الاتصال ؛علاوة على ذلك ، تم الإبلاغ مؤخرًا عن تباعد الروابط الهجينة بمقدار 1 ميكرومتر من Cu-Cu.ستمكّن هذه الوصلات ذات النغمة الدقيقة من تصنيع معماريات الدارات المتوازية بالبكسل بأبعاد بكسل عملية.

الشكل 8. اتجاهات تباعد تقاطع النحاس والنحاس (أ) هيكل الجهاز المبسط و (ب) المقطع العرضي.
أ. توسيع دائرة البكسل المكدسة
تم اقتراح العديد من التقنيات والتطبيقات في الأدبيات لتحسين أداء البكسل من خلال توسيع دائرة البكسل ، مثل سعة البئر الكاملة (FWC) ، ولتنفيذ وظائف إضافية ، مثل الغالق العام.يوضح الشكل 9 (أ) و (ب) تكوين البكسل لكسب التحويل الفردي وكسب التحويل المزدوج ، على التوالي.تشهد العقود مقابل الفروقات السعوية الأصغر تقلبات الجهد العالي من الإلكترونيات الضوئية لقراءات منخفضة الضوضاء ، ولكن يتم تشبعها بسهولة بواسطة عدد كبير من إلكترونات الإشارة.ومع ذلك ، يتم تبديل وحدات البكسل ذات مكاسب التحويل المزدوجة عن طريق التشغيل المتسلسل بين مكاسب التحويل ، مما يتيح قراءات منخفضة الضوضاء على CFD وقراءات النطاق الديناميكي العالي (HDR) على CDCG ؛بالإضافة إلى ذلك ، المساحة العلوية للترانزستورات والمكثفات الإضافية يتم تحقيق دقة بكسل عالية من خلال الحد من المقدار الذي يمكن تقليل حجم البكسل.في عام 2018 ، تم اقتراح تمديد دائرة البكسل المكدسة مع كسب تحويل مزدوج ؛تم تنفيذ دوائر إضافية على الشريحة السفلية من خلال توصيلات Cu-Cu متوازية البكسل ، كما هو موضح في الشكل 9 (ج).من خلال التبديل بين مكاسب التحويل البالغة 20 و 200 V / e- ، تم عرض 1.5 ميكرومتر بكسل بنجاح مع نطاق ديناميكي يبلغ 83.8 ديسيبل وتشويش منخفض يبلغ 0.8 e-rms.كما هو مبين في الشكل 10 ، تم تطبيق تكوين الدائرة المكدسة على مستوى البكسل على وظيفة الغالق العالمية لمجال الجهد والبكسل مع كسب تحويل مزدوج.أظهر 2019 بيكسل مصراع عالمي 2.2 ميكرومتر بكفاءة مصراع تزيد عن 100 ديسيبل.وحدات البكسل الحديثة ذات كسب التحويل المزدوج والمصراع العالمي لمجال الجهد تحقق أحجام بكسل تبلغ 0.8 ميكرومتر و 2.3 ميكرومتر ، على التوالي ، دون تحجيم دائرة التراص على مستوى البكسل ؛ومع ذلك ، لا يزال من المتوقع أن تعمل تكوينات البكسل المكدسة على تحسين أداء البكسل لوحدات البكسل الأصغر.

الشكل 9. تكوينات دوائر البكسل (أ) مع كسب تحويل فردي ، (ب) مع كسب تحويل مزدوج ، و (ج) مع كسب تحويل مزدوج ووحدات بكسل مكدسة مع وصلات Cu-Cu متوازية.

الشكل 10. تكوين دائرة البكسل للمصراع العالمي لمجال الجهد المكدس عبر وصلات Cu-Cu متوازية البكسل.
B. Pixel Parallel ADC
منذ أن تم اقتراح مفهوم الرقمنة المتوازية بالبكسل في عام 2001 ، تم أيضًا اقتراح مستشعرات الصور المكدسة المتصلة بالبكسل والمتصلة بالنحاس والنحاس مع عمليات الترابط الهجين.من المؤكد أن المناطق العلوية داخل البكسل في الدوائر المعقدة تحد من دقة البكسل ، ولكن في عام 2017 ، تم اقتراح مستشعر صورة مكدس بدقة 4.1 ميجابكسل مع بنية ADC متوازنة ، تلاه في عام 2018 مستشعر صورة متراصة 1.46 ميجابكسل من ADC.حققت بنية ADC الموازية للبكسل دقة Mpixel نظرًا للوصلات الدقيقة Cu-Cu لعملية الترابط الهجين.كما هو مبين في الشكل 11 ، يتم استخدام ADCs أحادي المنحدر في البنى الموازية للبكسل والعمود التقليدي المتوازي ، ولكن بدون دوائر تتبع المصدر.يتم دمج مكبرات الصوت الترانزستور بالبكسل مباشرة في المقارنات ، وربط كل بكسل بالرقاقة السفلية عبر اتصالين من النحاس والنحاس.نظرًا لقيود مساحة العداد ، يتم تعيين الرمز الرمادي للمزالج داخل البكسل ، وتم تنفيذ خطوط أنابيب القراءة الرقمية باستخدام ADCs ضمن مجموعة البكسل.

الشكل 11. تكوين دائرة ADC موازية للبكسل.
يوضح الشكل 12 (أ) شريحة نموذجية ذات بنية ADC موازية للبكسل ؛على الرغم من أن كل ADC يتم تنفيذه بخطوة بكسل تبلغ 6.9 ميكرومتر فقط ، حيث يقتصر التيار الهادئ للمقارن على 7.74 نانو أمبير ، فإن الضوضاء الأرضية بسبب التحكم الفعال في عرض النطاق تم قمعها إلى 8.77 جذر متوسط ​​التربيع.تعمل جميع ADC المتوازية بالبكسل في وقت واحد كغالق عالمي ؛لذلك ، كما هو موضح في الشكل 12 (ج) ، لم يتم ملاحظة أي تشوه في المستوى البؤري للغالق المتداول كما هو موضح في الشكل 12 (ب) في الصور الملتقطة باستخدام النموذج الأولي.يستمر تطوير بنى ADC المتوازية بالبكسل.يُظهر أحدث عمل في عام 2020 خطوة بكسل تبلغ 4.6 ميكرومتر ، ونطاق ديناميكي يبلغ 127 ديسيبل ، وضوضاء تبلغ 4.2e − rms ، وعمل 4.95 ميكرومتر وضوضاء 2.6 e rms.

الشكل 12. التنفيذ على الرقاقة لوحدة ADC موازية للبكسل.(أ) صورة مجهرية للرقاقة.(ب) الصور الملتقطة باستخدام عملية الغالق المتداول و (ج) باستخدام عملية الغالق العالمية.
C. عداد الفوتون المتوازي البكسل
يعد التصوير العددي للفوتون ، المعروف أيضًا باسم التصوير الكمي ، تقنية واعدة لتمكين التقاط الصور بقراءة خالية من الضوضاء وتصوير النطاق الديناميكي العالي (HDR).تعد مستشعرات الصور التي تعمل بعد الفوتون باستخدام ثنائيات الانهيار الأحادي الفوتون (SPADs) أحد تحديات الرقمنة المتوازية للبكسل من خلال تقنيات التكديس.يتم تشغيل تيار الانهيار الجليدي بواسطة إلكترون ضوئي واحد ، وفي حالة عدم وجود أي ضوضاء من الدوائر الأمامية التناظرية ، يمكن رؤية الحدث رقميًا على أنه عدد الفوتون.هذا يتطلب تنفيذ دوائر معقدة لكل سباد ؛في حين أن هياكل الأجهزة المكدسة مع وصلات البكسل لديها القدرة على تصوير عد الفوتون المتكامل للغاية.
تم الإبلاغ عن مستشعر صورة لحساب الفوتون SPAD بمدى ديناميكي يبلغ 124 ديسيبل وباستخدام بنية استقراء للإطار الفرعي في عام 2021. تم تكديس مجموعة بكسل ثنائية الفوتون أحادية الفوتون ذات إضاءة خلفية (BI) على الشريحة السفلية ، و يتم توصيل دائرة القراءة عبر Cu-Cu موازية للبكسل ، كما هو موضح في الشكل 13 (أ).الشكل 13 (ب) هو رسم تخطيطي لوحدة البكسل.يحتوي كل بكسل على عداد تموجات رقمي 9-ب (CN) يقوم بحساب عدد الفوتونات الواقعة.يتم إرجاع حمل الفائض (OF) من العداد إلى دائرة الإخماد للتحكم في تنشيط SPAD ومزلاج رمز التوقيت (TC).يتم بعد ذلك تعيين رمز توقيت 14-ب (TC) لجميع وحدات البكسل ويتجاوز العداد عندما تتغير علامة OF ، كما هو موضح في مخطط التوقيت في الشكل 14. اقرأ عدد 9-b للفوتونات أو 14-b TCs و الحصول على جميع أعداد الفوتون بدقة في ظروف الإضاءة المنخفضة دون تجاوز عكسي.ومع ذلك ، عندما يفيض العداد في ظروف الإضاءة الساطعة ، فإن البكسل الفائض يسجل الوقت ويستقرء العدد الفعلي للفوتونات الساقطة طوال فترة التعرض.

الشكل 13. عد الفوتون صورة الاستشعار.(أ) تكوين رقاقة.(ب) مخطط دائرة بكسل مبسط.

الشكل 14. توقيت الرسم البياني لعد الفوتون واستقراء الإطار الفرعي.
كما هو مبين في الشكل 15 (أ) ، تم توضيح مدى ديناميكي قدره 124 ديسيبل دون أي تدهور في نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).يظل SNR بعد تجاوز العداد في ظل ظروف الإضاءة الساطعة عند 40 ديسيبل على المدى الديناميكي الممتد ، حيث يمكن لعمليات عد الفوتون الحقيقية أن تصل إلى 10240 فوتونًا ، أو 9 بت × 20 إطارًا فرعيًا.يوضح الشكل 15 (ب) صورة HDR تم التقاطها بمعدل 250 إطارًا في الثانية ؛نظرًا للغالق العالمي وتشغيل HDR المكون من 20 إطارًا فرعيًا ، لم يتم ملاحظة أي عيوب في الحركة حتى مع وجود مروحة دوارة تبلغ 225 دورة في الدقيقة.يقوم الاستقراء المكون من 20 إطارًا فرعيًا بقمع الأعمال الفنية المتحركة بشكل فعال ، كما هو موضح في الشكل 15 (ج).يتطلب SPAD جهدًا متحيزًا عاليًا يبلغ حوالي 20 فولت وإطلاق موازٍ للبكسل للكاشفات عند جهد إمداد منخفض.غالبًا ما يصعب تحقيق وحدات البكسل SPAD ذات النغمات الصغيرة بسبب عزل الجهاز بين الفولتية المختلفة للإمداد.ومع ذلك ، فإن بنية الجهاز المكدسة تفصل بشكل فعال الطبقات المنطقية لـ SPAD و CMOS ، وبالتالي تسريع تطوير تكوينات البكسل الصغيرة مع SPAD والوظائف الموسعة.

الشكل 15. نتائج قياس عد الفوتون.(أ) المدى الديناميكي ونسبة الإشارة إلى الضوضاء.(ب) تم التقاط صورة HDR.(ج) الصورة الملتقطة بقمع تأثير الحركة.
رابعا.توسيع القدرة على الاستشعار
بالإضافة إلى النطاق الديناميكي الذي تم تقديمه سابقًا وقدرات الغالق العالمية ، فإن تقنية الجهاز المكدس لا تعمل فقط على تحسين جودة الصورة لهيكل المستشعر ، بل تعزز أيضًا قدرات الاستشعار مثل العمق المكاني واستشعار التباين الزمني والتصوير الضوئي غير المرئي.
أ. العمق المكاني
كما هو موضح في القسم III-C ، فإن هيكل الجهاز المكدس مع الترابط الهجين Cu-Cu هو نهج واعد لتقنية SPAD العملية في مجموعة واسعة من التطبيقات ويقلل من درجة البكسل SPAD إلى أقل من 10 ميكرومتر.لتحسين كفاءة اكتشاف الفوتون (PDE) وتقليل الحديث المتبادل البصري بمسافة بكسل صغيرة ، تم الإبلاغ عن مجموعة بكسل BI SPAD بما في ذلك عزل الخندق بالكامل (FTI) وربط النحاس بالنحاس في عام 2020. كما هو موضح في الشكل 16 ، في BI مكدس SPAD الهيكل ، صفيف SPAD بكسل مفتوح تمامًا للضوء الساقط ، ويتم تنفيذ جميع ترانزستورات البكسل على الشريحة السفلية.يساعد معدن FTI المدفون على منع الحديث المتبادل مع وحدات البكسل المجاورة.تتميز وحدات البكسل SPAD مقاس 10 ميكرون بطبقة من السيليكون بسمك 7 ميكرومتر لتحسين حساسية قياسات التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) وتحقيق وحدات PDE عالية تزيد عن 31.4٪ و 14.2٪ عند 850 نانومتر و 940 نانومتر ، على التوالي.

الشكل 16. هيكل جهاز SPAD.(أ) FI SPAD.(ب) SPAD مكدس BI.
في عام 2021 ، تم الإبلاغ عن مستشعر 189 × 600 سباد المباشر لوقت الطيران (ToF) باستخدام BI-stacked SPAD لأنظمة LiDAR للسيارات.يتم تنفيذ جميع دوائر البكسل الأمامية في الشريحة الأساسية تحت صفيف SPAD ، كما هو موضح في الشكل 17. في نظام LiDAR ، عندما يتم تلقي نبضة ليزر منعكسة ، يولد SPAD نبضة إطلاق مع زمن توقف قدره 6 نانوثانية و ينقلها إلى محول الوقت إلى رقمي (TDC).تستخدم الرقائق العلوية والسفلية عمليات CMOS 90 نانومتر و 40 نانومتر مع 10 طبقات نحاسية ، على التوالي.نظرًا للهيكل المكدس ، يشتمل المستشعر على دائرة للكشف عن المصادفة ، و TDC ومعالج الإشارات الرقمية (DSP) باعتبارها اللبنات الأساسية لاستشعار العمق.يعرض مستشعر ToF المباشر دقة مسافة تبلغ 30 سم على مدى ممتد يصل إلى 200 متر ، مما يمكّنه من اكتشاف الأجسام بنسبة انعكاس 95٪ في ضوء الشمس عند 117 ألف لوكس.

الشكل 17. BI مكدسة SPAD مع مستشعر عمق ToF مباشر.
يعد هيكل BI المكدس SPAD طفرة في التصوير المستند إلى SPAD واستشعار العمق بخصائص محسنة.يعمل هيكل مكدس BI على تحسين الكفاءة الكمية ويفصل SPADs والدوائر إلى طبقات السيليكون المثلى مقارنة بالبكسلات التقليدية التي تضع الدوائر بجوار كل SPAD.لذلك ، يتغلب التطبيق المكدس على القيود التقليدية لأجهزة استشعار SPAD وهو مناسب لمجموعة واسعة من التطبيقات.
ب. استشعار تباين الوقت
تكتشف مستشعرات الرؤية القائمة على الأحداث (EVS) التباين الزمني أحادي البكسل فوق العتبات النسبية المحددة مسبقًا لتتبع التطور الزمني لتغيرات الضوء النسبية وتحديد نقاط أخذ العينات لقياسات مستوى البكسل بدون إطار للكثافة المطلقة.منذ الإبلاغ عن EVS لأول مرة في عام 2006 ، تم اقتراح العديد من التطبيقات التي تستخدم EVS ، مثل رؤية الماكينة عالية السرعة ومنخفضة الطاقة بسبب الدقة الزمنية للبيانات المسجلة ، والقمع المتأصل للتكرار الزمني مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف المعالجة اللاحقة و a مجموعة واسعة من السيناريوهات.عملية DR.على الرغم من تقليل حجم البكسل إلى 9 ميكرومتر في عام 2019 من خلال هياكل BI ، إلا أن EVS تعاني من حجم بكسل كبير ودقة صغيرة في كثير من الأحيان بسبب معالجة الإشارات التناظرية واسعة النطاق على مستوى البكسل.لذلك ، تستفيد EVS بشكل خاص من التطورات في هياكل الأجهزة المكدسة مع توصيلات Cu-Cu بمقياس البكسل.
تم الإبلاغ عن 1280 × 720 4.86 ميكرومتر بكسل في EVS مكدس BI في عام 2020. يوضح الشكل 18 مخطط كتلة البكسل لوظيفة اكتشاف التباين (CD) ومخطط تخطيطي لواجهة القراءة غير المتزامنة بالبكسل وكتل منطق الحالة.يتم تحويل التيار الضوئي إلى إشارة جهد ، Vlog ، ويتم الحصول على تغيير التباين عن طريق تعديل دلتا غير متزامن (ADM) الذي تم اكتشافه باستخدام مقارنة عبر المستوى.تحقق EVS المكدس BI في الشكل 19 (أ) طوابع زمنية على مستوى الصف 1-s ، ومعدل حدث أقصى يبلغ 1.066 مليار حدث في الثانية (eps) ، وخط أنابيب تنسيق البيانات 35 nW / pixel و 137 pJ / حدث لـ تطبيقات رؤية الماكينة عالية السرعة ومنخفضة الطاقة.يوضح الشكل 19 (ب) تشغيل المستشعر لبعض أمثلة التطبيقات.تُظهر تسجيلات مشهد حركة المرور حوالي 1 لوكس حساسية التباين في الإضاءة المنخفضة.تسمح الدقة الزمنية العالية من وحدات البكسل ذات الكمون المنخفض وعمليات القراءة عالية السرعة للمستشعر بفك تشفير أنماط الضوء المهيكلة المشفرة بالوقت في تطبيقات استشعار العمق ثلاثي الأبعاد.يوضح الشكل 20 اتجاه درجة البكسل في EVS.نظرًا لتقنية الجهاز المكدس ، أصبح حجم البكسل لـ EVS الآن أقل من 5 ميكرومتر لحالات الاستخدام العملي للميغابكسل.

الشكل 18. مخطط كتلة البكسل لـ EVS

الشكل 19. EVS مكدس BI ومثال تطبيقه.(أ) صورة مجهرية للرقاقة.(ب) أمثلة التطبيق.

التصوير الضوئي غير المرئي
تعمل تقنية الجهاز المكدس أيضًا على تسهيل التصوير الضوئي غير المرئي باستخدام أجهزة الكشف الضوئية غير السيليكونية في التكامل المختلط.تتضمن أمثلة أجهزة الكشف الضوئية غير السيليكونية ذات التكامل الهجين أجهزة الكشف الضوئية InGaAs وأجهزة الكشف الضوئية Ge-on-Si والأغشية الضوئية العضوية.في هذا القسم ، تم تلخيص النتائج الأخيرة لأجهزة الاستشعار InGaAs التي تستخدم الترابط الهجين Cu-Cu.
يتزايد الطلب على التصوير في نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (SWIR) (أي الأطوال الموجية بين 1000 و 2000 نانومتر) للتطبيقات الصناعية والعلمية والطبية والأمنية.تم استخدام أجهزة InGaAs في مستشعرات SWIR لأن خصائص امتصاصها في نطاق SWIR لا يمكن تغطيتها بواسطة الأجهزة القائمة على السيليكون.في مستشعرات InGaAs التقليدية ، يتم توصيل كل بكسل من صفيف الثنائي الضوئي (PDA) بدائرة متكاملة للقراءة (ROIC) عبر هجين ذو رقاقة قلاب باستخدام المطبات.عادةً ما يعقد هذا الهيكل تصنيع مصفوفات البكسل الدقيقة بسبب قابلية التوسع المحدودة للنتوءات.في عام 2019 ، تم تقديم مستشعر صور InGaAs حيث تم توصيل كل 5 ميكرومتر من PDA بـ ROIC باستخدام ربط Cu-Cu.نمت الهياكل غير المتجانسة InGaAs / InP بشكل فوق المحور على ركائز InP صغيرة متاحة تجاريًا بأقطار أقل من 4. كما هو موضح في الشكل 21 ، يتم تقطيع رقائق InGaAs / InP فوق المحور إلى شرائح ونقلها إلى رقائق سيليكون كبيرة باستخدام قالب III-V يموت إلى السيليكون معالجة.بعد تصنيع وسادات النحاس ، يستخدم heterowafer III-V / Si رابطة Cu-Cu لربط كل بكسل III-V بـ ROIC بمزيج ROIC.يوضح الشكل 22 اتجاه خطوة التلامس لمطبات رقاقة الوجه وربط النحاس والنحاس لأجهزة استشعار InGaAs.الهجين ذو الرقاقة المتقابلة باستخدام النتوءات ، الطريقة التقليدية لتصنيع مستشعرات InGaAs ، ليست مناسبة لتقليل درجة البكسل بسبب هوامش المعالجة الضيقة وضعف التكرار.ومع ذلك ، فقد تم استخدام تهجين Cu-Cu لإنتاج كميات كبيرة من مستشعرات صور CMOS ذات الإنتاجية العالية منذ عام 2016 وهي تقنية أساسية لتوسيع نطاق الروابط البينية بأجهزة استشعار InGaAs.يوضح الشكل 22 أيضًا مثالاً لتطبيق يتضمن التفتيش والمراقبة الأمنية في سيناريو ضبابي.وبالتالي ، تتيح مستشعرات الصور InGaAs تصوير HD SWIR من خلال اتصالات Cu-Cu على مستوى البكسل.

الشكل 21. مخطط تدفق العملية لتصنيع مستشعر الصور InGaAs.

الشكل 22: اتجاهات خطوة تلامس النتوءات ذات الرقاقة القلابة وأمثلة على تطبيقات الترابط Cu-Cu وأجهزة الاستشعار InGaAs.
V. مستشعرات الرؤية الذكية
يتزايد الطلب على منتجات الكاميرا ذات إمكانات معالجة الذكاء الاصطناعي في سوق إنترنت الأشياء (IoT) وتجارة التجزئة والمدن الذكية والتطبيقات المماثلة.يمكن لقوة معالجة الذكاء الاصطناعي على هذه الأجهزة المتطورة معالجة بعض المشكلات المرتبطة بأنظمة الحوسبة السحابية البحتة ، مثل زمن الوصول ، والاتصالات السحابية ، وتكاليف المعالجة ، ومخاوف الخصوصية.تشمل متطلبات السوق للكاميرات الذكية المزودة بقدرات معالجة الذكاء الاصطناعي الحجم الصغير والتكلفة المنخفضة واستهلاك الطاقة المنخفض وسهولة التثبيت.ومع ذلك ، فإن مستشعرات صور CMOS التقليدية تنتج فقط البيانات الأولية للصورة الملتقطة.لذلك ، عند تطوير كاميرا ذكية بقدرات معالجة الذكاء الاصطناعي ، من الضروري استخدام الدوائر المتكاملة التي تتضمن معالج إشارة الصورة (ISP) ، ومعالجة الشبكة العصبية التلافيفية (CNN) ، والذاكرة الحيوية ، وغيرها من الإمكانات.
تم الإبلاغ عن مستشعر صورة CMOS مكدس يتكون من 12.3 ميغا بكسل و DSP مخصص لحساب CNN في عام 2021. كما هو موضح في الشكل 23 ، يحتوي المستشعر على حل متكامل مع نقل كامل لالتقاط الصور إلى معالج الاستدلال CNN ويمكن معالجته بمعدل 120 إطارًا في الثانية ، بما في ذلك التقاط الصورة باستخدام 4.97 TOPS / W DSP ومعالجة CNN على الرقاقة.تحتوي كتلة المعالجة على ISP للمعالجة المسبقة لمدخلات CNN ، ونظام فرعي DSP محسّن لمعالجة CNN ، و 8 MB L2 SRAM لتخزين أوزان CNN وذاكرة وقت التشغيل.يوضح الشكل 24 بعض الأمثلة على نتائج استدلال CNN باستخدام MobileNet v1.أظهر النظام الفرعي DSP نتائج استدلال مماثلة لـ TensorFlow.تستطيع مستشعرات الرؤية الذكية تشغيل عملية استدلال CNN الكاملة على المستشعر ، ويمكنها إخراج الصور الملتقطة كبيانات أولية ونتائج استدلال CNN في نفس الإطار من خلال واجهة MIPI.يدعم المستشعر أيضًا إخراج نتائج استدلال CNN فقط من واجهة SPI لتمكين الكاميرات الصغيرة وتقليل استهلاك طاقة النظام والتكلفة.يسمح معالج الاستدلال CNN الموجود على المستشعر للمستخدمين ببرمجة نماذج الذكاء الاصطناعي المفضلة لديهم في ذاكرة مدمجة وإعادة برمجتها وفقًا لمتطلبات أو ظروف استخدام النظام.على سبيل المثال ، عند تثبيته عند مدخل المنشأة ، يمكن استخدامه لحساب عدد الزوار الذين يدخلون المرفق ؛عند تثبيته على رف المتجر ، يمكن استخدامه لاكتشاف حالات نفاد المخزون ؛عند تثبيته على السقف ، يمكن استخدامه لزوار متجر رسم الخرائط الحرارية.من المتوقع أن توفر مستشعرات الرؤية الذكية أنظمة ذكاء اصطناعي منخفضة التكلفة لمختلف التطبيقات باستخدام نماذج الذكاء الاصطناعي المرنة.

تستعرض هذه الورقة الإنجازات الحديثة في هياكل مستشعر الصور مع هياكل الأجهزة المكدسة.تعمل بنية الجهاز المكدسة على تحسين أداء مستشعر الصورة بشكل كبير ، خاصةً في معدلات الإطارات العالية ودقة البكسل العالية ، من خلال ADCs المتوازية للغاية المنفذة باستخدام بكسلات المستشعر وتكنولوجيا المعالجة المحسنة لدائرة CMOS.في العمل الأخير ، تم تقديم العديد من المقترحات ، مع بعض النتائج ، باستخدام دوائر تكديس موازية للبكسل و / أو وحدات معالجة أكثر ذكاءً.تتطلب هذه التحديات الجديدة قابلية توسع أعلى ، ومزيد من تحسين تكنولوجيا العملية لكل وظيفة ، وكفاءة أعلى للمنطقة.يمكن دمج أجهزة الكشف عن الصور ، ودوائر البكسل الأمامية ، والإشارة المختلطة التناظرية والمعالجات الرقمية ، والذكريات بشكل أكثر كفاءة ، كما هو موضح في الشكل 25 ، وستكتسب معماريات مستشعر الصور المستقبلية مزيدًا من التطوير لتوسيع القدرات من خلال تقنيات تكديس الجهاز.