معرفی و بررسی جزئیات تکنولوژی سنسور Stacked CMOS سونی

نمایشگاه هنر ایران: معرفی و بررسی جزئیات تکنولوژی سنسور Stacked CMOS سونی

برای این‌ که با تکنولوژی سنسور Stacked CMOS سونی آشنا شوید، اول باید در مورد اعوجاج Rolling shutter اطلاعاتی کسب کنید. در این مقاله، توضیح خواهیم داد که چه زمانی در تصویر، افکت Rolling shutter ایجاد می شود، برای حل این مشکل چه باید کرد و در آخر ساختار سه لایه ای سنسور Stacked CMOS را به طور دقیق بررسی خواهیم کرد.

چه زمانی در تصویر Rolling shutter به وجود می آید؟

نمایشگاه هنر ایران: دوربین گوشی‌های هوشمند، به طور مداوم بهبود پیدا می کنند و در حال نزدیک شدن به دوربین‌های دیجیتال هستند، اما هنوز مشکلات حل نشده‌ای وجود دارد. یکی از این مشکلات، سرعت رابط است. تراشه‌های معمولی سنسور تصویر CMOS ، اطلاعات سیگنال‌ را از پیکسل‌ها جمع آوری می‌کنند و از طریق رابط مبتنی بر مدار منطقی ،  انتقال اطلاعات صورت می‌گیرد. در این حالت، سرعت خواندن پیکسل محدود است و فقط می‌تواند تا 30 فریم در ثانیه افزایش یابد.

در هنگام ثبت سوژه‌های متحرک، تفاوت زمان خواندن از پیکسل اول تا آخر، باعث ظهور افکت Rolling shutter در تصویر می‌شود. به طور مثال، ممکن است جسمی سرعت بسیار بالایی داشته باشد و بین زمان خواندن اولین پیکسل تا آخرین پیکسل جابجا شود، بدین ترتیب در تصویر، حرکت آن به صورت اعوجاج خود را نشان می‌دهد.

راه حل جلوگیری از ظهور افکت Rolling shutter

شرکت سونی برای حل این مشکل چندین راه مختلف را مورد بررسی قرار داد؛ مانند استفاده کردن از ساختاری که در داخل پیکسل ظرفیت ایجاد کرد. اما این راه حل‌ها قابل اعتماد نبودند زیرا اندازه‌ پیکسل در آن‌ها کاهش پیدا می‌کرد. علاوه بر این، این راه حل‌ها قابل استفاده بر روی برنامه‌های تلفن‌های همراه مانند گوشی‌های هوشمند نبودند. راه حل ارائه شده برای این مشکل، استفاده از حافظه DRAM است تا به طور موقت داده‌های پیکسل بر روی آن ذخیره شوند. در نتیجه‌ این عمل، سرعت خوانش رابط از سرعت خوانش پیکسل جدا می‌شود. تراشه‌ CIS که توسط شرکت سونی توسعه داده شد، سرعت خواندن پیکسل را تا 120 فریم در ثانیه افزایش داد.

ساختار سه لایه ای سنسور Stacked CMOS سونی

تراشه‌ سنسور Stacked CMOS ارائه شده‌ توسط شرکت سونی از سه لایه تشکیل شده است:

نمایشگاه هنر ایران: در پایین ترین بخش، زیر ساخت منطقی 40 نانو متری این پشته (stack) قرار دارد. در بالای این بخش، یک لایه‌ 30 نانومتری DRAM با مصرف 1 وات وجود دارد که شکل قرار گیری آن مانند یک تراشه‌ flip-chip است. (این بدین معنی است که قسمت رویی بخش DRAM به سمت روی بخش منطق قرار گرفته است. در بالای DRAM، لایه‌ 90 نانو متری روشنایی از پشت (back illuminated) پیکسل جای گرفته است. ضخامت مجموع این لایه‌ها، 130 میکرو متر گزارش شده است. (این لایه‌ها، درون هم چفت شده‌اند.) جنس بخش منطقی، 5 لایه مس و 1 لایه آلومینیوم است. DRAM نیز 3 لایه‌ آلومینیوم دارد. همچنین، لایه‌ روشنایی از پشت نیز از 5 لایه مس و 1 لایه  آلومینیوم تشکیل شده است.

با قرار دادن DRAM در لایه‌ وسط، نازک ساختن و اتصال آن‌ به وسیله‌ TSVهای باریک، سونی موفق شده است مصرف برق و فضای I/O را کاهش دهد.

آنچه در نهایت تولید شده، یک محصول جالب توجه 19.3 مگاپیکسلی در هر فضای 1.22*1.22 میکرو متری و یک DRAM یک گیگابایتی است. سونی ، برای اتصال این لایه‌ها از TSV‌هایی با قطر 2.5 میکرو متر و مساحت 6.3 میلی‌متر استفاده کرده است. این لایه‌ها در مجموع با بیش از 35000 TSV به هم متصل شده‌اند. حدود 15000 تا از این TSVها برای اتصالات بین بخش پیکسل روشنایی از پشت و DRAM استفاده شده‌اند. همچنین، حدود 20000 تا از این TSVها بخش DRAM را به بخش منطق متصل کرده‌اند.

نمایشگاه هنر ایران: این چیپ، برای همه‌ 19.3 مگاپیکسلش از 120 فریم در ثانیه استفاده می‌کند. بدین ترتیب برای رزولوشن 1920*1080  ( FHD )، این مجموعه می‌تواند 960 فریم در ثانیه را ثبت کند.