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有源像素传感器与CMOS图像传感器堆栈技术的融合：提升成像性能的新路径
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有源像素传感器与CMOS图像传感器堆栈技术的融合：提升成像性能的新路径

引言

随着智能手机、自动驾驶、医疗成像和工业检测等领域的快速发展，对高分辨率、低功耗、快速响应的图像传感器需求日益增长。在此背景下，有源像素传感器（Active Pixel Sensor, APS）与CMOS图像传感器堆栈技术的结合，成为当前图像传感领域的重要发展方向。

一、有源像素传感器（APS）的核心优势

有源像素传感器是现代CMOS图像传感器的基础结构，其核心在于每个像素单元内部集成了放大器和读出电路，从而显著提升了信噪比（SNR）和动态范围。

  • 低噪声性能：由于像素内集成放大器，信号在传输前即被放大，有效降低了传输过程中的噪声干扰。
  • 高灵敏度：APS能够更好地捕捉弱光信号，适用于夜视、生物成像等低照度场景。
  • 可集成性强：与CMOS工艺兼容，便于实现单芯片系统集成（SoC），降低整体系统复杂度。

二、CMOS图像传感器堆栈技术的发展现状

CMOS图像传感器堆栈技术（Stacked CMOS Image Sensor, SCIS）通过将感光层与逻辑处理层垂直堆叠，突破了传统平面布局的物理限制，实现了更高的像素密度和更快的数据处理速度。

  • 结构创新：采用背面照明（BSI）+ 堆叠架构，使光路更短，提升量子效率（QE）。
  • 高速读出：堆叠后可并行处理多通道数据，支持每秒数百帧的高速视频采集。
  • 小型化与多功能集成：可在底层集成ISP（图像信号处理器）、AI加速单元，实现“感知-处理”一体化。

三、两者融合带来的技术突破

将有源像素传感器与堆栈技术结合，不仅继承了APS的高信噪比特性，还借助堆栈结构实现了更高集成度与能效比。

  • 提升成像质量：在高动态范围（HDR）和低光照条件下表现更优。
  • 降低功耗：通过优化像素级电路设计与堆叠后的电源管理，实现更高效的能量利用。
  • 推动新兴应用：如车载摄像头、增强现实（AR）、机器人视觉系统等对实时性与精度要求极高的场景。

未来展望

随着先进封装技术（如Chiplet、TSV三维硅通孔）的进步，有源像素传感器与堆栈技术的融合将进一步深化，有望催生下一代智能视觉系统，实现从“成像”到“理解”的跨越。

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