Sensores de imagem são necessários em câmeras, de telefones a telescópios, capturando luz e transformando-a em imagens. Os sensores CMOS (Front-Side Illuminated) e BSI (Backside-Illuminated) funcionam com princípios semelhantes, mas diferem na estrutura, afetando a captura de luz, o ruído e a qualidade da cor. Este artigo explica seus projetos, desempenho, usos e desenvolvimentos futuros em detalhes.
CC7. Do BSI às arquiteturas CMOS empilhadas
Visão geral do sensor CMOS vs BSI
Cada câmera, desde o smartphone no bolso até os telescópios que exploram galáxias distantes, depende da eficiência com que seu sensor de imagem captura a luz. Os sensores CMOS e BSI seguem princípios de semicondutores semelhantes, mas suas diferenças estruturais levam a grandes variações na sensibilidade à luz, desempenho de ruído e qualidade de imagem. Nos sensores CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) tradicionais, a fiação de metal e os transistores ficam acima dos fotodiodos, bloqueando parcialmente a luz recebida e reduzindo a sensibilidade geral. Esse design torna os sensores CMOS econômicos e fáceis de fabricar, mas limita o desempenho com pouca luz. Em contraste, os sensores BSI (Back-Side Illuminated) invertem a estrutura, posicionando o fotodiodo na parte superior para que a luz o atinja diretamente sem obstrução. Isso melhora a eficiência quântica, reduz o ruído e melhora o desempenho em sistemas de imagem compactos ou de última geração, de câmeras DSLR a instrumentos científicos.
Arquitetura do sensor CMOS
Um sensor CMOS Front-Side Illuminated (FSI) representa a estrutura de sensor de imagem anterior e mais convencional usada em câmeras digitais e smartphones. Nessa arquitetura, a luz recebida deve passar por várias camadas de materiais antes de atingir o fotodiodo, a região sensível à luz responsável pela conversão de fótons em sinais elétricos.
Processo de trabalho
Cada pixel na tela opera por meio de um processo coordenado envolvendo microlentes, filtros de cores, interconexões de metal, transistores e uma camada de fotodiodo. As microlentes primeiro focalizam a luz recebida através dos filtros de cores vermelho, verde e azul, garantindo que apenas comprimentos de onda específicos alcancem cada subpixel. Acima do fotodiodo, interconexões de metal e transistores gerenciam o controle elétrico do pixel e a leitura do sinal, embora sua posição possa bloquear parcialmente parte da luz recebida. Abaixo dessas camadas está o fotodiodo, que captura a luz restante e a converte em carga elétrica, formando o sinal básico da imagem do pixel.
Limitações do projeto FSI
• Sensibilidade à luz reduzida: Uma parte da luz é refletida ou absorvida pelas camadas de fiação e transistor antes de atingir o fotodiodo.
• Fator de preenchimento inferior: À medida que os tamanhos dos pixels diminuem, a proporção da área sensível à luz em relação à área total de pixels diminui, levando a mais ruído.
• Desempenho mais fraco com pouca luz: os sensores FSI lutam em ambientes escuros em comparação com alternativas modernas, como sensores BSI.
Dentro do sensor BSI CMOS
O sensor CMOS Backside-Illuminated (BSI) revolucionou a imagem digital, abordando a principal desvantagem dos designs tradicionais de Front-Side Illuminated (FSI), o bloqueio de luz da fiação de metal e transistores. Ao inverter a estrutura do sensor, o BSI permite que a luz recebida atinja o fotodiodo diretamente, melhorando drasticamente a eficiência da luz e a qualidade da imagem.
Função de tecnologia BSI
• O wafer de silício é diluído para apenas alguns micrômetros para expor a camada fotossensível
• A camada de fotodiodo é posicionada na parte superior, voltada diretamente para a luz que entra
• A fiação metálica e os circuitos do transistor são realocados para a parte traseira, evitando que obstruam os caminhos da luz
• As microlentes avançadas são alinhadas com precisão sobre cada pixel para garantir o foco de luz ideal
Vantagens dos sensores BSI
• Maior eficiência de absorção de luz: melhoria de até 30 a 50% em comparação com os sensores FSI, resultando em imagens mais brilhantes e limpas.
• Desempenho superior com pouca luz: a perda reduzida de fótons aumenta a sensibilidade e minimiza o ruído em ambientes escuros.
• Precisão de cores aprimorada: com caminhos de luz desobstruídos, os filtros de cores produzem tons mais precisos e vívidos.
• Design de pixel compacto: O BSI suporta tamanhos de pixel menores, mantendo a qualidade da imagem, ideal para sensores de alta resolução.
• Faixa dinâmica aprimorada: Melhor captura de sinal em regiões claras e escuras de uma cena.
Eficiência de luz e comparação de sensibilidade
| Característica | Sensor CMOS FSI | Sensor BSI |
|---|---|---|
| Caminho da Luz | A luz passa pela fiação → perda parcial | Direto para fotodiodo → perda mínima |
| Eficiência Quântica (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Desempenho com pouca luz | Moderado | Excelente |
| Reflexão & Crosstalk | Alto | Baixo |
| Clareza da imagem | Média | Nítido e brilhante com pouca luz |
Fator de encolhimento e preenchimento de pixels
Em sensores FSI CMOS
À medida que o tamanho do pixel cai abaixo de 1,4 μm, as interconexões e transistores de metal ocupam uma área de superfície maior. O fator de preenchimento diminui, resultando em menos luz sendo capturada por pixel e aumento do ruído da imagem. O resultado são imagens mais escuras, contraste reduzido e desempenho mais fraco em condições de pouca luz.
Em sensores CMOS BSI
O fotodiodo é posicionado acima da fiação, permitindo que a luz o atinja diretamente. Essa configuração atinge um fator de preenchimento de quase 100%, o que significa que quase toda a área de pixels se torna sensível à luz. Os sensores BSI mantêm o brilho uniforme e uma relação sinal-ruído (SNR) mais alta em todo o quadro da imagem. Eles também oferecem desempenho superior com pouca luz, mesmo em módulos compactos, como câmeras de smartphones ou drones.
Diafonia, ruído e difusão traseira
| Aspecto | Possíveis problemas em sensores CMOS (FSI) | Possíveis problemas em sensores BSI | Soluções de Engenharia | Impacto na qualidade da imagem |
|---|---|---|---|---|
| Interferência Óptica | A luz é espalhada ou bloqueada por fiação de metal antes de atingir o fotodiodo, causando iluminação irregular. | A luz vaza para os pixels vizinhos devido à exposição traseira. | Deep Trench Isolation (DTI): Cria barreiras físicas entre os pixels para evitar interferência óptica. | Imagens mais nítidas, melhor separação de cores e desfoque reduzido. |
| Recombinação de carga | Os portadores de carga são perdidos em camadas espessas de silício ou metal, diminuindo a sensibilidade. | Recombinação traseira: Os transportadores se recombinam perto da superfície exposta antes da coleta. | Camadas de Passivação & Tratamento de Superfície: Reduza defeitos e melhore a coleta de carga. | Sensibilidade aprimorada e perda de sinal reduzida. |
| Efeito Blooming | A superexposição em um pixel faz com que os pixels adjacentes saturem devido à difusão frontal. | A superexposição espalha a carga sob a camada de silício diluída. | Barreiras de Doping e Carga de Superfície: Contêm carga e evitam transbordamento. | Listras brancas reduzidas e realces mais suaves. |
| Ruído Elétrico & Térmico | O calor dos transistores no pixel gera ruído no caminho do sinal. | Maior ruído de disparo devido ao silício fino e circuitos densos. | Amplificadores de Baixo Ruído & Algoritmos de Redução de Ruído no Chip. | Imagens mais limpas, melhor desempenho com pouca luz. |
| Limitação do fator de preenchimento | Camadas de metal e transistores cobrem uma grande área de pixels, reduzindo a sensibilidade à luz. | Quase eliminado - fotodiodo totalmente exposto à luz. | Otimização de estrutura e microlente BSI. | Máxima captação de luz e brilho uniforme. |
Do BSI às arquiteturas CMOS empilhadas
Estrutura de um sensor CMOS empilhado
| Camada | Função | Descrição |
|---|---|---|
| Camada superior | Matriz de pixels (BSI Design) | Contém os fotodiodos sensíveis à luz que capturam a luz recebida, usando uma estrutura BSI para maximizar a sensibilidade. |
| Camada intermediária | Circuitos analógicos/digitais | Lida com tarefas de conversão de sinal, amplificação e processamento de imagem separadamente da matriz de pixels para saídas mais limpas. |
| Camada inferior | Integração de memória ou processador | Pode incluir núcleos de processamento DRAM ou AI incorporados para buffer rápido de dados e aprimoramento de imagem em tempo real. |
Vantagens dos sensores CMOS empilhados
• Leitura ultrarrápida: permite disparo contínuo de alta velocidade e captura de vídeo real com resoluções de até 4K ou 8K com distorção mínima do obturador.
• Processamento aprimorado no chip: integra circuitos lógicos que executam mesclagem HDR, correção de movimento e redução de ruído diretamente no sensor.
• Eficiência energética: Caminhos de dados mais curtos e domínios de energia independentes melhoram • a taxa de transferência enquanto reduzem o consumo de energia.
• Fator de forma menor: O empilhamento vertical permite um design de módulo compacto ideal para smartphones, câmeras automotivas e drones.
• Suporte a IA e imagem computacional: alguns sensores empilhados incluem processadores neurais dedicados para foco automático inteligente, reconhecimento de cena e aprimoramento em tempo real.
Faixa dinâmica e desempenho de cores em sensores CMOS vs BSI
Sensores BSI (retroiluminados)
Ao eliminar a fiação metálica acima do fotodiodo, os sensores BSI permitem que os fótons atinjam diretamente a área sensível à luz. Essa estrutura aumenta a capacidade de poço total, melhorando a absorção de luz e minimizando o recorte de realce. Como resultado, os sensores BSI oferecem desempenho HDR superior, melhor profundidade de cor e gradação de sombra mais fina, tornando-os melhores para fotografia HDR, imagens médicas e vigilância com pouca luz.
Sensores FSI (Front-Side Illuminated)
Em contraste, os sensores FSI exigem que a luz passe por várias camadas de circuitos antes de atingir o fotodiodo. Isso causa reflexão e dispersão parciais, o que limita a faixa dinâmica e a capacidade de mapeamento de tons. Eles são mais propensos à superexposição em condições de muita luz e geralmente produzem cores menos precisas em sombras profundas.
Aplicações de sensores CMOS vs BSI
Sensores CMOS (FSI)
• Visão industrial
• Inspeção industrial
• Endoscopia médica
• Câmeras de vigilância
Sensores BSI
• Smartphones
• Câmeras digitais
• ADAS automotivo
•Astronomia e imagem científica
• Gravação de vídeo 8K
Desenvolvimentos futuros em sensores CMOS vs BSI
• Os designs empilhados em 3D combinam camadas de pixel, lógica e memória para leitura ultrarrápida e imagens orientadas por IA.
• Os sensores BSI de obturador global eliminam a distorção de movimento para robótica, drones e sistemas automotivos.
• CMOS orgânico e sensores de pontos quânticos oferecem maior sensibilidade, resposta espectral mais ampla e cores mais ricas.
• O processamento de IA no sensor permite redução de ruído em tempo real, detecção de objetos e controle de exposição adaptável.
• As plataformas de imagem híbridas mesclam as vantagens do CMOS e do BSI, melhorando a faixa dinâmica e reduzindo o uso de energia.
Conclusão
Os sensores CMOS e BSI remodelaram as imagens modernas, com o BSI oferecendo maior sensibilidade à luz, menos ruído e melhor precisão de cores. O surgimento de CMOS empilhados e sensores integrados à IA aumenta ainda mais a velocidade, a clareza da imagem e a faixa dinâmica. Juntas, essas tecnologias continuam a promover a fotografia, a vigilância e a imagem científica com maior precisão e eficiência.
Perguntas Frequentes
Quais materiais são usados nos sensores CMOS e BSI?
Ambos usam wafers de silício. Os sensores BSI também incluem camadas finas de silício, microlentes e interconexões de metal para melhor absorção de luz.
Qual tipo de sensor consome mais energia?
Os sensores BSI consomem mais energia devido ao seu design complexo e processamento de dados mais rápido, embora os designs modernos estejam melhorando a eficiência.
Por que os sensores BSI são mais caros que os CMOS?
Os sensores BSI exigem etapas adicionais de fabricação, como afinamento de wafer e alinhamento preciso da camada, o que os torna mais caros de produzir.
Como esses sensores lidam com o calor?
Altas temperaturas aumentam o ruído em ambos os sensores. Os projetos BSI geralmente incluem melhor controle térmico para manter a qualidade da imagem estável.
Os sensores CMOS e BSI podem detectar luz infravermelha?
Sim. Quando equipados com revestimentos sensíveis ao infravermelho ou filtros removidos, ambos podem detectar infravermelho, com o BSI mostrando melhor sensibilidade ao infravermelho.
Qual é a finalidade das microlentes nos sensores de imagem?
As microlentes guiam a luz diretamente para o fotodiodo de cada pixel, melhorando o brilho e a eficiência em sensores BSI menores.