La llegada de la tecnología CMOS en los años ochenta provocó un crecimiento espectacular de la industria de los semiconductores. Los transistores se han vuelto más pequeños, más rápidos, consumen menos energía y son más baratos de fabricar. Es la tecnología CMOS la que ha permitido una integración muy alta en chips, dando lugar a circuitos integrados miniaturizados y modernos de alto rendimiento.
Además de la valiosa contribución a la miniaturización de circuitos integrados, la tecnología CMOS ha encontrado aplicaciones en aplicaciones de detección. 
Figura 1: Una imagen que representa el uso de la tecnología CMOS en diversas aplicaciones.
Se ha adoptado la tecnología CMOS para diseñar sensores, especialmente en el área de imágenes. Debido al uso generalizado de sensores de imagen basados en CMOS , los sensores CMOS a menudo se consideran sinónimos de sensores de imagen basados en CMOS y han surgido como competidores de los sensores de imagen basados en CCD.
Hasta hace poco, los dispositivos de carga acoplada (CCD) dominaban la mayoría de los sistemas de detección de imágenes, es decir, cámaras, videocámaras, etc. Los CCD se han utilizado en cámaras astronómicas, videocámaras y escáneres. Sin embargo, últimamente, las imágenes CMOS han surgido como una alternativa a los generadores de imágenes CCD y también ofrecen mejores funciones.
Las secciones siguientes analizarán los generadores de imágenes basados en sensores CCD y CMOS, sus ventajas y desventajas, y también sus aplicaciones. Además, se discutirán otras aplicaciones de la tecnología CMOS en el campo de la detección.
CMOS frente a CCD
La invención del CCD marcó el fin de los generadores de imágenes de tubos de vacío utilizados en las cámaras de televisión, ya que superó las desventajas de los tubos de vacío, como los artefactos crónicos de la imagen, como el retraso y el desgaste, la fragilidad de los grandes tubos de vidrio o la sensibilidad a los golpes, vibraciones y electromagnéticos. radiación, trabajo minucioso, alineación periódica de tuberías, etc. También marcó el comienzo de una nueva era en los sistemas de imágenes y durante décadas disfrutó de ventajas de calidad sobre los sensores CMOS rivales. Cuando la calidad de la imagen era primordial, se preferían los CCD y los CMOS se utilizaban principalmente en aplicaciones donde el tamaño pequeño y el bajo consumo eran los requisitos principales.
Con el desarrollo tecnológico de la tecnología CMOS, la brecha entre los sensores CCD y CMOS se ha reducido; Los sensores CMOS también pueden alcanzar una calidad competitiva. La elección entre sensores CCD y CMOS se ha vuelto cada vez más difícil.
Los sensores de imagen CCD y CMOS utilizan grandes conjuntos de miles (a veces millones) de ubicaciones fotográficas, comúnmente llamadas píxeles. Ambos realizan los mismos pasos.
1. Conversión de luz a carga
La luz incidente es dirigida por la microlente (una pequeña lente colocada sobre el píxel para aumentar su tamaño efectivo y por tanto su factor de relleno) hacia la zona fotosensible de cada píxel, donde se convierte en electrones que se acumulan en un “cubo” semiconductor. .
Figura 2: Una figura que ilustra la conversión de luz en carga.
Cuanto más grande sea el píxel, más luz podrá recoger. Por tanto, los sensores de píxeles grandes funcionan mejor en condiciones de poca luz. Para la misma cantidad de píxeles, píxeles más grandes dan como resultado chips más grandes, lo que significa un costo más alto. Por otro lado, los píxeles más pequeños permiten tamaños de chip más pequeños y precios de chip más bajos, así como menores costos de lentes. Pero existen limitaciones a la hora de reducir el tamaño de los píxeles. Los píxeles más pequeños son menos sensibles a la luz, la óptica necesaria para resolver los píxeles se vuelve costosa y requiere recursos de fabricación costosos.
2. Acumulación de cargos
A medida que entra más luz, se acumulan más electrones en el cubo.
3. Transferencia
La carga acumulada debe transferirse al circuito de acondicionamiento y procesamiento de señales.
4. Conversión de carga a voltaje
La carga acumulada debe emitirse como señal de voltaje.
5. Amplificación
Luego, la señal de voltaje se amplifica antes de introducirse en el circuito de la cámara.
Tanto el CMOS como el CCD realizan todas estas tareas; Sin embargo, el aspecto en el que se diferencian es el orden en el que se realizan estas tareas.
Resumen de la tecnología CCD
BREVE SOBRE LA TECNOLOGÍA CCD
Los CCD se inventaron en 1969 como una forma de almacenar datos utilizando memoria de burbuja. En 1974, Fairchild Electronics produjo el primer CCD de imágenes con un formato de 100 × 100 píxeles.
El generador de imágenes CCD consta de dos partes principales: filtro de color y matriz de píxeles.
• Filtro de color
Las microlentes canalizan la luz hacia la parte fotosensible de cada píxel. En el camino, los fotones pasan a través de una serie de filtros de color. El mosaico de estos pequeños filtros captura información de color. Los filtros de color permiten medir por separado los fotones rojo (R), verde (G) y azul (B). El filtro de color filtra longitudes de onda de color no deseadas y permite que solo colores de luz específicos pasen a través de un sensor de píxeles. Para lograrlo, cada píxel está cubierto por un filtro rojo, verde y azul según un estándar específico, como el estándar Bayer CFA.
Fig. 3: Figura que muestra el patrón submosaico de Bayer CFA
El filtro Bayer utiliza patrones de submosaico de 2×2 con un filtro rojo, uno azul y dos verdes. Como el ojo humano es más sensible a la luz verde, se utilizan dos filtros verdes.
• Matriz de píxeles
El conjunto de píxeles funciona según el principio del efecto fotoeléctrico y los sensores de píxeles se encargan de captar la intensidad de la luz que pasa. Los datos de intensidad de la luz se combinan antes de convertirse en una señal de voltaje analógica, que se envía a una placa de circuito externa para su posterior procesamiento.
Después de que la luz incidente se convierte en electrones, la carga de electrones se acumula de la misma manera que un balde almacena agua. Las cargas de píxeles se leen mediante registros de desplazamiento vertical y horizontal que actúan como portadores de carga.
Cómo funcionan los sensores CMOS
SENSORES CMOS
Un CMOS típico es un circuito integrado con una serie de sensores de píxeles. A diferencia del CCD, en los sensores CMOS cada sensor de píxeles contiene su propio sensor de luz, un amplificador y un interruptor de selección de píxeles. En el sensor CMOS se encuentran un convertidor analógico a digital y otros componentes críticos para el funcionamiento de los sensores de píxeles.
El sensor CMOS contiene cuatro partes principales: los filtros de color, la matriz de píxeles, el controlador digital y el convertidor de analógico a digital.
Figura 4: Una figura que muestra partes de un sensor CMOS
• Filtro de color
El filtro de color es el mismo que el descrito en el generador de imágenes basado en CCD.
• Matriz de píxeles
Como en el caso del CCD, la función del conjunto de píxeles es captar la intensidad de la luz que los atraviesa. Cada sensor de píxeles convierte la sensibilidad de la luz entrante en una señal de voltaje que luego se envía al ADC para su posterior procesamiento.
Hay dos tipos de arquitecturas de sensores de píxeles: sensores de píxeles pasivos (PPS) y sensores de píxeles activos (APS).
Figura 5: Un diagrama que muestra la arquitectura del sensor de píxeles pasivo de los sensores de píxeles
En los sensores Passive Pixel solo se utiliza un fotodetector (sin ningún amplificador local) por píxel mientras que en los sensores Active Pixel se utilizan 3-4 transistores por píxel. 
Figura 6: Un diagrama que muestra la arquitectura del sensor de píxeles activo de los sensores de píxeles
Los sensores de píxeles pasivos tienen píxeles más pequeños y un factor de relleno grande, pero son lentos y tienen una SNR baja. Por otro lado, los sensores de píxeles activos son rápidos, tienen buena SNR, pero píxeles más grandes y un factor de relleno bajo.
Sin embargo, debido al avance de la tecnología CMOS hasta nm, el tamaño de píxel/factor de relleno ya no es un gran problema y APS es la tecnología preferida utilizada en la mayoría de los dispositivos.
• CDA
El ADC toma las señales de voltaje analógicas del conjunto de sensores de píxeles y las convierte en una señal digital.
• Controlador digital
El controlador digital gobierna el funcionamiento del sensor CMOS; controla la matriz de píxeles, garantiza el sincronismo entre todos los píxeles, etc.
Funcionamiento de los sensores CMOS
Funcionamiento de los sensores CMOS
a) El sensor de píxeles actúa como un cubo de carga; Acumula cargas de electrones de la misma manera que un balde de agua almacena agua.
b) La carga se convierte en voltaje y se amplifica en el píxel.
c) Los microcables CMOS individuales transportan voltaje un píxel a la vez, controlado por el interruptor de selección de píxeles
d) Para emitir la señal de video, siga los siguientes pasos
1. Todos los interruptores de selección de píxeles están activados. Esto genera el voltaje de cada píxel en el circuito del altavoz.
2. Los interruptores de selección de columnas se activan de izquierda a derecha. De esta manera, los voltajes de señal de cada píxel en la misma línea se emiten en orden.
3. Esto se repite para todas las filas, de arriba a abajo, en orden, los voltajes de señal de todos los píxeles pueden enviarse desde la esquina superior izquierda a la esquina inferior derecha del sensor de imagen.
e) Estos voltajes de señal se envían al procesador de señal de la cámara.
Fig. 7: Un diagrama que muestra el funcionamiento del sensor CMOS
TIPOS DE SENSORES CMOS
La diferencia entre los tipos de sensores CMOS generalmente se debe a la cantidad de transistores (que afectan el factor de llenado) presentes en cada píxel. Una parte del sensor de píxeles que en realidad es sensible a la luz se llama factor de relleno.
a) Tipo de persiana
Tiene un número limitado de transistores y, por lo tanto, tiene un factor de llenado alto. Sin embargo, las filas de píxeles están expuestas en diferentes momentos y, por lo tanto, el movimiento en el objetivo produce una imagen distorsionada.
b) Tipo de obturador global
El número de transistores en este caso es alto, lo que da como resultado un factor de llenado bajo. Sin embargo, todos los píxeles quedan expuestos a la vez y, por lo tanto, se eliminan los artefactos de movimiento asociados con los sensores de tipo obturador.
CCD y CMOS: pros y contras
SENSORES CCD Y CMOS: PROS Y CONTRAS
1. Proceso de fabricación
Los sensores CCD utilizan una fabricación especializada que utiliza procesos de fabricación costosos y dedicados, mientras que los sensores CMOS se basan en la tecnología CMOS estándar (utilizada para fabricar circuitos integrados como microprocesadores, memoria, etc.). Dado que los sensores CMOS también pueden integrar los componentes electrónicos necesarios en el mismo chip, los sensores CMOS dan como resultado un sistema compacto y rentable.
2. Rango dinámico
El rango dinámico del CCD es aproximadamente el doble que el del sensor CMOS. Esto implica que si se requiere una mayor profundidad de color, los CCD probablemente ofrecerán mejores resultados. Por otro lado, los CMOS son ligeramente más fotosensibles.
3. Consumo de energía
Las cámaras CMOS tienen un menor consumo de energía que las CCD, pero otros circuitos CMOS pueden requerir más energía. Los sensores CMOS de bajo costo tienen bajos requisitos de energía, pero las cámaras CMOS de alta velocidad generalmente requieren más energía que las CCD.
4. Ruido
Dos tipos de ruido afectan el rendimiento del sensor: ruido temporal y ruido de patrón fijo. El ruido de patrón fijo es mayor en CMOS, en comparación con los CCD, porque la carga se convierte en voltaje en cada píxel, en comparación con la conversión de voltaje de carga de un solo punto en los CCD. En términos de ruido temporal, los sensores CMOS son mejores porque el ancho de banda de los amplificadores en cada píxel es menor que el del amplificador de salida en el caso de los CCD.
5. Calidad de imagen
Debido al bajo factor de llenado del CMOS, la fotosensibilidad de los sensores CMOS es baja en condiciones de poca luz.
6. Uniformidad de respuesta
Los CCD utilizan un único amplificador para todos los píxeles y los CMOS utilizan amplificadores separados para cada píxel. Las diferencias de amplificación entre píxeles dan lugar a una falta de uniformidad. La respuesta de los CCD es bastante uniforme.
7. Velocidad
Los sensores CMOS tienen mayor velocidad debido a que utilizan píxeles activos y ADC en el mismo chip, lo que reduce los retrasos de propagación.
8. Zona de lectura
Los sensores CMOS permiten leer cualquier región o incluso varias regiones en el sensor. Los CCD están limitados por la lectura de escaneo vertical
9. Funciones inteligentes
Con la integración del circuito de procesamiento de señal en el chip del sensor CMOS, se incluyen funciones como control automático de ganancia, control automático de exposición, etc., anti-jitter, compresión de imágenes, codificación de colores, seguimiento de movimiento, etc.
10. Efecto de sobreexposición
La sobreexposición puede provocar que los píxeles sobreexpuestos se vean borrosos. La mancha es causada por un derrame de carga en el registro de desplazamiento. Debido a la ausencia de registros de desplazamiento en los sensores CMOS, son inmunes a este efecto.
Múltiples sensores CMOS
OTROS SENSORES CMOS
• Sensores de humedad y temperatura CMOS
Sensirion AG, con sede en Suiza, ha introducido sensores digitales integrados de humedad y temperatura que utilizan tecnología de chip CMOS "micromecanizado". SHT11 es un módulo de detección de temperatura y humedad relativa de un solo chip con una salida digital calibrada fabricada 
Figura 8: Una imagen representativa del sensor de temperatura y humedad CMOS
utilizando tecnología CMOS.
Los sensores de humedad convencionales determinan la humedad relativa del aire mediante tecnología capacitiva. Sin embargo, adolecen de una mala estabilidad a largo plazo y una calibración complicada. Además, requieren circuitos adicionales para convertir la salida analógica para la interfaz con microprocesadores, etc.
El SHT11 utiliza un sistema de electrodos de dedo micromecanizado con capas protectoras y de recubrimiento de polímero que forman la capacitancia del chip del sensor, al mismo tiempo que protege el sensor de interferencias. El chip sensor se puede conectar directamente a cualquier sistema de microprocesador a través de la interfaz digital de 2 hilos.
Debido a que el sensor de temperatura y el sensor de humedad están integrados en una sola unidad, se eliminan los errores de medición debidos a los gradientes de temperatura entre los dos elementos sensores. El sensor ofrece alta inmunidad al ruido, buena estabilidad, tiempos de respuesta cortos, alta precisión, bajo consumo de energía y tamaño reducido.
• Sensor de imagen 3D
El sensor de profundidad 
es un chip CMOS patentado de SoftKinetic DepthSense para imágenes 3D. Utiliza el principio de tiempo de vuelo y proporciona una forma directa de adquirir información 3D de objetos, permitiendo nuevas aplicaciones como el reconocimiento de gestos. Estos sensores se están integrando en las cámaras.
es un chip CMOS patentado de SoftKinetic DepthSense para imágenes 3D. Utiliza el principio de tiempo de vuelo y proporciona una forma directa de adquirir información 3D de objetos, permitiendo nuevas aplicaciones como el reconocimiento de gestos. Estos sensores se están integrando en las cámaras. El sistema panorámico 3D KODAK 9000 es otro sistema de imágenes 3D para aplicaciones dentales. Con un impresionante campo enfocado en 3D, puede generar diferentes tipos de imágenes faciales.
• Detectores de rayos X CMOS
Los detectores de rayos X CMOS de panel plano de Dexela se basan en un innovador diseño de sensor CMOS basado en silicio cristalino, que ofrece una velocidad sin precedentes y una calidad de imagen superior. Los detectores son adecuados para una variedad de aplicaciones que incluyen mamografía y tomosíntesis, imágenes angiográficas, densitometría ósea, CBCT dental, instrumentación científica y END.
Las principales ventajas de la tecnología son: alta velocidad de cuadros, bajo ruido, alta confiabilidad, sin demoras en la imagen y alta resolución espacial. Los beneficios clínicos son una menor dosis de radiación para el paciente combinada con una calidad de imagen superior en comparación con las pantallas planas basadas en tecnología de sensor de silicio amorfo. Dexela utiliza la flexibilidad, la velocidad y el bajo ruido de la tecnología CMOS para crear detectores que son flexibles, más rápidos, más sensibles, de mayor resolución y más estables que los detectores de panel plano basados en TFT.
Los componentes principales de este detector son: sensor de imagen CMOS, centelleador, electrónica de control, electrónica de lectura y dispositivos de comunicación.
• Microplacas CMOS
Cambridge CMOS Sensors proporciona una innovadora tecnología de microchip MEMS de alta temperatura para aplicaciones de detección de gases, detección de flujo y laboratorio en un chip. La tecnología utiliza un proceso CMOS estándar que permite soluciones de sensor en un chip de alto volumen, bajo costo y bajo consumo de energía.
• Sensor CMOS para flujo de fluido
Burkert Fluid Control Systems utiliza la tecnología CMOS para medir el caudal másico de gas, midiendo el diferencial de temperatura.
Utiliza un chip de Si en una ubicación con un diafragma expuesto en las paredes del canal de flujo. Una resistencia está conectada al diafragma; Antes y después del mismo se instalan dos sensores de temperatura.
Si la resistencia calefactora recibe un voltaje de excitación, el diferencial de voltaje de los sensores de temperatura proporciona un flujo másico del gas que fluye a través del canal.