Advento do Tecnologia CMOS na década de oitenta levou ao crescimento fenomenal da indústria de semicondutores. Os transistores tornaram-se menores, mais rápidos, consomem menos energia e são mais baratos de fabricar. É a tecnologia CMOS que permitiu uma integração muito alta nos chips, levando a circuitos integrados miniaturizados e modernos de alto desempenho.
Além da valiosa contribuição na miniaturização de circuitos integrados, a tecnologia CMOS encontrou aplicações em aplicações de detecção.
Figura 1: Uma imagem que representa o uso da tecnologia CMOS em diversas aplicações
A tecnologia CMOS foi adotada para projetar sensores, especialmente na área de imagem. Devido ao amplo uso de Sensores de imagem baseados em CMOS, Sensores CMOS são frequentemente considerados sinônimos de sensores de imagem baseados em CMOS e surgiram como concorrentes dos sensores de imagem baseados em CCD.
Até recentemente, Carregar dispositivos acoplados (CCDs) dominaram a maioria dos sistemas de detecção de imagem, ou seja, câmeras, filmadoras, etc. Os CCDs têm sido usados em câmeras astronômicas, filmadoras de vídeo e scanners. No entanto, ultimamente, Imagem CMOS surgiram como uma alternativa aos geradores de imagens CCD e também oferecem melhores recursos.
As seções subsequentes discutirão os geradores de imagens baseados em sensores CCD e CMOS, seus prós e contras e também suas aplicações. Além disso, outras aplicações de CMOS tecnologia no campo de sensoriamento será discutida.
CMOS versus CCD
A invenção do CCD marcou o fim dos geradores de imagens de tubo de vácuo usados em câmeras de televisão, pois superou as desvantagens dos tubos de vácuo, como artefatos crônicos de imagem, como atraso e queima, fragilidade de grandes tubos de vidro ou sensibilidade a choque, vibração e radiação eletromagnética, trabalho meticuloso alinhamento periódico de tubos, etc. Também marcou o início de uma nova era em sistemas de imagem e, durante décadas, desfrutou de vantagens de qualidade em relação aos sensores CMOS rivais. Onde a qualidade da imagem era fundamental, os CCDs eram preferidos, CMOS foram usados principalmente em aplicações onde o tamanho pequeno e a baixa potência eram os principais requisitos.
Com o desenvolvimento tecnológico na tecnologia CMOS, a lacuna entre CCD e Sensores CMOS estreitou; Os sensores CMOS também podem alcançar qualidade competitiva. A escolha entre sensores CCD e CMOS tornou-se cada vez mais difícil.
Os sensores de imagem CCD e CMOS usam grandes conjuntos de milhares (às vezes milhões) de locais fotográficos, comumente chamados de pixels. Ambos realizam os mesmos passos.
1. Conversão de luz para carga
A luz incidente é direcionada pelas microlentes (uma pequena lente colocada sobre o pixel para aumentar seu tamanho efetivo e, portanto, fator de preenchimento) para a área fotossensível de cada pixel, onde é convertida em elétrons que se acumulam em um “balde” semicondutor.
Figura 2: Uma figura ilustrando a conversão de luz para carga
Quanto maior o pixel, mais luz ele pode coletar. Assim, sensores de pixels grandes funcionam melhor em condições de pouca luz. Para o mesmo número de pixels, pixels maiores resultam em chips maiores, o que significa custo mais alto. Por outro lado, pixels menores permitem tamanhos de chips menores e preços de chips mais baixos, bem como custos de lentes mais baixos. Mas existem limitações na redução do tamanho do pixel. Pixels menores são menos sensíveis à luz, a óptica necessária para resolver os pixels torna-se cara e requer recursos de fabricação caros.
2. Acúmulo de cobrança
À medida que mais luz entra, mais elétrons se acumulam no balde.
3. Transferência
A carga acumulada deve ser transferida para o circuito de condicionamento e processamento de sinal.
4. Conversão de carga em tensão
A carga acumulada deve ser emitida como sinal de tensão.
5. Amplificação
O sinal de tensão é então amplificado antes de ser alimentado no circuito da câmera.
Tanto o CMOS quanto o CCD executam todas essas tarefas; porém o aspecto em que se diferenciam é a ordem de execução dessas tarefas.
Resumo sobre tecnologia CCD
BREVE SOBRE TECNOLOGIA CCD
Os CCDs foram inventados em 1969 como uma forma de armazenar dados usando memória bolha. Em 1974, o primeiro CCD de imagem foi produzido pela Fairchild Electronics com formato de 100×100 pixels.
O gerador de imagens CCD consiste em duas partes principais: filtro de cores e matriz de pixels
• Filtro de cor
As microlentes canalizam a luz para a parte fotossensível de cada pixel. No caminho, os fótons passam por um conjunto de filtros de cores. O mosaico desses pequenos filtros captura informações de cores. Os filtros coloridos permitem a medição separada dos fótons vermelho (R), verde (G) e azul (B). O filtro de cores filtra comprimentos de onda de cores indesejadas e permite que apenas cores específicas de luz passem por um sensor de pixel. Para isso, cada pixel é coberto por um filtro vermelho, verde e azul de acordo com um padrão específico, como o padrão Bayer CFA.
Fig. 3: Uma figura demonstrando o padrão sub-mosaico do Bayer CFA
O filtro Bayer usa padrões submosaico 2×2 com um filtro vermelho, um azul e dois filtros verdes. Como o olho humano tem maior sensibilidade à luz verde, são utilizados dois filtros verdes.
• Matriz de pixels
O conjunto de pixels funciona segundo o princípio do efeito fotoelétrico e os sensores de pixel são responsáveis por capturar a intensidade da luz que passa. Os dados de intensidade de luz são combinados antes de serem convertidos em um sinal de tensão analógico, que é enviado para uma placa de circuito externa para ser processado posteriormente.
Após a conversão da luz incidente em elétrons, a carga do elétron é acumulada da mesma forma que um balde armazena água. As cargas dos pixels são lidas usando registradores de deslocamento vertical e horizontal que atuam como portadores de carga.
Como funcionam os sensores CMOS
SENSORES CMOS
Um CMOS típico é um circuito integrado com uma série de sensores de pixel. Em contraste com o CCD, cada sensor de pixel nos sensores CMOS contém seu próprio sensor de luz, um amplificador e uma chave de seleção de pixel. Um conversor analógico-digital e outros componentes críticos para a operação dos sensores de pixel estão localizados no sensor CMOS.
O sensor CMOS contém quatro partes principais: os filtros de cores, a matriz de pixels, o controlador digital e o conversor analógico para digital.
Figura 4: Uma figura mostrando partes de um sensor CMOS
• Filtro de cor
O filtro de cores é o mesmo descrito no gerador de imagens baseado em CCD.
• Matriz de pixels
Como no caso do CCD, a função do conjunto de pixels é capturar a intensidade da luz que passa. Cada sensor de pixel converte a sensibilidade da luz recebida no sinal de tensão que é então alimentado ao ADC para processamento posterior
Existem dois tipos de arquiteturas de sensores Pixel: Sensor de Pixel Passivo (PPS) e Sensores de Pixel Ativos (APS).
Figura 5: Um diagrama mostrando a arquitetura de sensor de pixel passivo de sensores de pixel
Nos sensores Passive Pixel, apenas um fotodetector (sem qualquer amplificador local) por pixel é usado, enquanto nos sensores Active Pixel são usados 3-4 transistores por pixel.
Figura 6: Um diagrama mostrando a arquitetura do sensor de pixel ativo de sensores de pixel
Os sensores de pixel passivos têm pixels menores e fator de preenchimento grande, mas são lentos e têm SNR baixo. Por outro lado, os sensores de pixels ativos são rápidos, possuem bons SNRs, mas pixels maiores e baixo fator de preenchimento.
No entanto, devido ao avanço da tecnologia CMOS até nm, o tamanho do pixel/fator de preenchimento não é mais um grande problema e APS é a tecnologia preferida e usada na maioria dos dispositivos.
• CDA
O ADC pega os sinais de tensão analógicos do conjunto de sensores de pixel e os converte em um sinal digital.
• Controlador digital
O controlador digital rege o funcionamento do sensor CMOS; controla a matriz de pixels, garante o sincronismo entre todos os pixels, etc.
Operação de Sensores CMOS
Operação de Sensores CMOS
a) O sensor de pixel atua como um balde de carga; acumula cargas de elétrons da mesma forma que um balde de água armazena água
b) A carga é convertida em voltagem e amplificada no pixel.
c) Microfios CMOS individuais transportam tensão de um pixel por vez, controlado pela chave de seleção de pixel
d) Para emitir o sinal de vídeo, siga os seguintes passos
1. Todos os interruptores de seleção de pixel estão LIGADOS. Isso gera a tensão de cada pixel no circuito da coluna.
2. Os interruptores de seleção de coluna são LIGADOS da esquerda para a direita. Desta forma, as tensões de sinal de cada pixel na mesma linha são emitidas em ordem.
3. Isso é repetido para todas as linhas, de cima para baixo, em ordem, as tensões de sinal de todos os pixels podem ser emitidas do canto superior esquerdo para o canto inferior direito do sensor de imagem.
e) Essas tensões de sinal são enviadas para o processador de sinal da câmera.
Fig. 7: Um diagrama mostrando a operação do sensor CMOS
TIPOS DE SENSORES CMOS
Diferença entre tipos de sensores CMOS geralmente é devido ao número de transistores (afetando o fator de preenchimento) presentes em cada pixel. Uma parte do sensor de pixel que é realmente sensível à luz é chamada de fator de preenchimento.
a) Tipo de persiana
Este possui um número limitado de transistores e, portanto, possui um alto fator de preenchimento. No entanto, as linhas de pixels são expostas em momentos diferentes e, portanto, o movimento no alvo produz uma imagem distorcida.
b) Tipo de obturador global
O número de transistores é alto neste caso, resultando em um fator de preenchimento baixo. Porém, todos os pixels são expostos de uma vez e, portanto, os artefatos de movimento associados aos sensores do tipo persiana são removidos.
CCD e CMOS: prós e contras
SENSORES CCD E CMOS: PRÓS E CONTRAS
1. Processo de Fabricação
Os sensores CCD utilizam fabricação especializada que utiliza processos de fabricação dedicados e caros, enquanto os sensores CMOS dependem da tecnologia CMOS padrão (usada para fabricação de IC como microprocessadores, memória, etc.). Como os sensores CMOS também podem integrar os componentes eletrônicos necessários no mesmo chip, os sensores CMOS resultam em um sistema compacto e econômico
2. Faixa Dinâmica
A faixa dinâmica do CCD é aproximadamente duas vezes maior que a do sensor CMOS. Isto implica que, se for necessária uma melhor profundidade de cor, os CCDs provavelmente oferecerão melhores resultados. Por outro lado, os CMOS são ligeiramente mais fotossensíveis.
3. Consumo de energia
As câmeras CMOS têm menor consumo de energia que os CCDs, mas outros circuitos CMOS podem exigir mais energia. Os sensores CMOS de baixo custo têm baixos requisitos de energia, mas as câmeras CMOS de alta velocidade normalmente requerem mais energia do que os CCDs.
4. Ruído
Dois tipos de ruído afetam o desempenho dos sensores: ruído temporal e ruído de padrão fixo. O ruído de padrão fixo é maior no CMOS, em comparação com os CCDs, porque a carga é convertida em tensão em cada pixel, em comparação com a conversão de carga-tensão de ponto único nos CCDs. Em termos de ruído temporal, os sensores CMOS são melhores porque a largura de banda dos amplificadores em cada pixel é menor que a do amplificador de saída no caso do CCD.
5. Qualidade de imagem
Devido ao baixo fator de preenchimento do CMOS, a fotossensibilidade dos sensores CMOS é baixa em condições de pouca luz.
6. Uniformidade de resposta
Os CCDs usam um único amplificador para todos os pixels e os CMOS usam amplificadores separados para cada pixel. As diferenças de amplificação pixel a pixel levam à não uniformidade. A resposta dos CCDs é bastante uniforme.
7. Velocidade
Os sensores CMOS possuem maior velocidade devido ao fato de utilizarem pixels ativos e ADCs no mesmo chip levando a menores atrasos de propagação.
8. Área de leitura
Os sensores CMOS permitem que qualquer região ou mesmo múltiplas regiões sejam lidas no sensor. Os CCDs são limitados pela leitura de varredura vertical
9. Funções inteligentes
Com a integração do circuito de processamento de sinal no chip do sensor CMOS, funções como controle automático de ganho, controle automático de exposição, etc., anti-jitter, compressão de imagem, codificação de cores, rastreamento de movimento, etc.
10. Efeito de superexposição
A superexposição pode causar manchas nos pixels superexpostos. A mancha é causada pelo derramamento de carga no registrador de deslocamento. Devido à ausência de registradores de deslocamento nos sensores CMOS, eles são imunes a esse efeito.
Vários sensores CMOS
OUTROS SENSORES CMOS
• Sensores de umidade e temperatura CMOS
A Sensirion AG, com sede na Suíça, introduziu sensores digitais integrados de umidade e temperatura usando tecnologia de chip “microusinado” CMOS. SHT11 é um módulo de detecção de temperatura e umidade relativa de chip único com uma saída digital calibrada fabricada 
Figura 8: Uma imagem representativa do sensor CMOS de umidade e temperatura
usando tecnologia CMOS.
Sensores de umidade convencionais determinam a umidade relativa do ar usando tecnologia capacitiva. No entanto, eles sofrem de baixa estabilidade a longo prazo e calibração complicada. Além disso, eles exigem circuitos adicionais para converter a saída analógica para interface com microprocessadores, etc.
O SHT11 usa um sistema de eletrodo de dedo microusinado com camadas protetoras e de cobertura de polímero formando a capacitância para o chip do sensor, além de proteger simultaneamente o sensor contra interferências. O chip do sensor pode ser conectado diretamente a qualquer sistema microprocessador por meio da interface digital de 2 fios.
Como o sensor de temperatura e o sensor de umidade estão integrados em uma única unidade, elimina erros de medição devido a gradientes de temperatura entre os dois elementos sensores. O sensor oferece alta imunidade a ruído, boa estabilidade, tempos de resposta curtos, alta precisão, baixo consumo de energia e ocupa pouco espaço
• Sensor de imagem 3D
O sensor DepthSense
é um chip CMOS patenteado da SoftKinetic DepthSense para imagens 3D. Ele usa o princípio do tempo de voo e fornece uma maneira direta de adquirir informações 3D de objetos, permitindo novas aplicações, como reconhecimento de gestos. Esses sensores estão sendo integrados em câmeras.
é um chip CMOS patenteado da SoftKinetic DepthSense para imagens 3D. Ele usa o princípio do tempo de voo e fornece uma maneira direta de adquirir informações 3D de objetos, permitindo novas aplicações, como reconhecimento de gestos. Esses sensores estão sendo integrados em câmeras.O Sistema Panorâmico 3D KODAK 9000 é outro sistema de imagem 3D para aplicações odontológicas. Com um impressionante campo focado 3D, pode gerar diferentes tipos de imagens faciais.
• Detectores de raios X CMOS
Os detectores de raios X CMOS de tela plana da Dexela são baseados no design inovador do sensor CMOS baseado em silício cristalino, oferecendo velocidade sem precedentes e qualidade de imagem superior. Os detectores são adequados para uma variedade de aplicações, incluindo mamografia e tomossíntese, imagens angiográficas, densitometria óssea, TCFC dentária, instrumentação científica e END.
As principais vantagens da tecnologia são: alta taxa de quadros, baixo ruído, alta confiabilidade, ausência de atraso de imagem e alta resolução espacial. Os benefícios clínicos são a menor dose de radiação para o paciente combinada com qualidade de imagem superior quando comparada com telas planas baseadas na tecnologia de sensor de silício amorfo. A Dexela utiliza a flexibilidade, a velocidade e o baixo ruído da tecnologia CMOS para criar detectores que são flexíveis, mais rápidos, mais sensíveis, de maior resolução e mais estáveis do que os detectores de tela plana baseados em TFT.
Os principais componentes deste detector são: sensor de imagem CMOS, cintilador, eletrônica de controle, eletrônica de leitura e dispositivos de comunicação.
• Microplacas CMOS
Cambridge CMOS Sensors fornece tecnologia inovadora de microplaca de alta temperatura MEMS para detecção de gás, detecção de fluxo e aplicações lab-on-a-chip. A tecnologia usa processo CMOS padrão que permite soluções de sensor em um chip de alto volume, baixo custo e baixa potência
• Sensor CMOS para fluxo de fluido
A Burkert Fluid Control Systems utiliza tecnologia CMOS para medição da vazão mássica do gás, medindo o diferencial de temperatura.
Ele usa um chip de Si em um local com um diafragma exposto nas paredes do canal de fluxo. Um resistor está conectado ao diafragma; dois sensores de temperatura são instalados a montante e a jusante dele.
Se o resistor de aquecimento for fornecido com uma tensão de excitação, o diferencial de tensão dos sensores de temperatura fornece fluxo de massa do gás que flui através do canal.
