一、CMOS 图形传感器芯片工作原理

CMOS 图形传感器（CMOS Image Sensor，CIS）的核心是通过像素阵列实现光电转换，并集成信号处理电路完成 “光信号 - 电信号 - 数字图像” 的转化，关键流程分为四步：

光电转换阶段

芯片核心为百万级 / 亿级像素单元阵列（如 4800 万像素传感器含 4800 万个像素单元），每个单元由 “光电二极管（PD）+ 传输晶体管” 组成：当光线照射到光电二极管时，光子激发产生光生载流子（电子 - 空穴对），载流子被 PD 内部电场收集，形成与光强成正比的电荷信号（光强越强，电荷积累越多）。

信号读出阶段

采用两种主流读出方式：

Rolling Shutter（滚动快门）：按行依次开启像素单元的传输晶体管，逐行将电荷信号转移至列读出电路，成本低但快速移动物体易产生 “果冻效应”；

Global Shutter（全局快门）：所有像素单元同时收集电荷，再一次性转移至读出电路，无果冻效应，适配高速运动场景（如汽车自动驾驶、工业视觉）。

信号处理阶段

列读出电路先将电荷信号转换为电压信号，经 “correlated double sampling（CDS，相关双采样）” 抑制暗电流噪声（降低固定模式噪声 FPN）；随后通过片上 ADC（模数转换器）将模拟电压信号转为数字信号，再经白平衡、色彩校正、降噪等数字信号处理（ISP）模块优化，输出标准图像数据（如 RAW、YUV 格式）。

控制与输出阶段

内置时序控制器（Timing Generator）生成像素曝光、读出、ADC 转换的同步信号，确保各模块协同工作；最终通过 MIPI-CSI2、LVDS 等高速接口，将数字图像数据传输至处理器（如手机 SoC、工业 FPGA）。

二、CMOS 图形传感器芯片适用场景

CMOS 图形传感器因 “高集成度、低功耗、小型化” 特性，广泛应用于需图像采集与识别的领域，不同场景对传感器性能要求差异显著：

消费电子领域：

智能手机前后置摄像头（如 1 亿像素 CIS，需高分辨率、大光圈适配人像 / 夜景拍摄）、平板电脑摄像头（800 万像素，低功耗设计）、运动相机（需防水 + 防抖，支持 4K 视频录制）；

汽车电子领域：

自动驾驶环视摄像头（需 120dB 以上高动态范围 HDR，避免强光 / 阴影下过曝）、倒车影像摄像头（-40℃~105℃宽温工作，耐振动）、DMS 驾驶员监控摄像头（红外 CIS，夜间精准识别人脸）；

工业领域：

机器视觉检测（如半导体晶圆缺陷检测，需 2000 万像素以上高分辨率 + 全局快门，适配高速流水线）、物流扫码枪（低照度敏感，0.1lux 环境下仍可识别条码）；

医疗与安防领域：

医疗内窥镜（微型 CIS，直径≤3mm，高色彩还原度，辅助微创手术）、安防监控摄像头（星光级 CIS，0.001lux 超低照度，夜间清晰成像）、生物识别（指纹 / 虹膜识别 CIS，高信噪比，避免误识别）。

三、CMOS 图形传感器芯片封装形式与 pin 脚特性

CMOS 图形传感器的封装需兼顾 “透光性、小型化、高速信号传输”，主流封装形式及 pin 脚规格如下，其中 “pin 脚” 主要包含电源、信号、控制、接地四类引脚：

注：pin 脚数量随功能复杂度增加而增多，如支持 HDR + 全局快门的汽车 CIS，pin 脚数通常≥120pin；高速信号脚（如 MIPI）需差分配对设计，避免信号串扰。

四、CMOS 图形传感器芯片测试项、方法与标准

CMOS 图形传感器测试需覆盖 “光学性能、电气性能、可靠性、封装完整性” 四大维度，核心测试体系如下：

（一）核心测试项目

光学性能测试（核心指标）

分辨率：传感器分辨细节的能力，用 “有效像素数”（如 4800 万有效像素）和 “调制传递函数（MTF）” 衡量（MTF≥0.5@1000lp/mm 为合格）；

动态范围（HDR）：同时呈现高光与阴影细节的能力，车规级 CIS 要求≥120dB，消费级≥80dB；

信噪比（SNR）：信号与噪声的比值，低照度下 SNR≥40dB（避免图像噪点过多）；

色彩还原度：还原真实色彩的精度，用 “色彩误差 ΔE” 衡量（ΔE≤3 为优，人眼无法分辨差异）；

低照度灵敏度：弱光环境下的成像能力，星光级 CIS 要求 0.001lux 照度下仍可输出清晰图像；

快门特性：全局快门的 “曝光均匀性”（全画面曝光差异≤5%）、滚动快门的 “果冻效应偏移量”（≤1 像素）。

电气性能测试

电源电流：工作电流（如 100mA@30fps）、待机电流（≤10μA，降低功耗）；

高速信号完整性：MIPI-CSI2/LVDS 接口的眼图测试（眼高≥200mV，眼宽≥50% UI，避免信号失真）；

暗电流：无光照时像素单元的漏电流（≤10nA/cm²，避免暗画面出现亮斑）；

时序精度：曝光时间、帧速率的偏差（如 30fps 帧速率偏差≤1%）。

可靠性测试

高低温循环：-40℃~85℃/105℃循环 1000 次（车规 105℃，工业 85℃），测试后光学性能衰减≤10%；

湿热测试：40℃、90% RH 环境放置 1000 小时，无封装开裂、光学性能下降；

光老化测试：连续 1000 小时强光照射（10000lux），感光区域无衰减、色彩偏移≤ΔE=2；

机械振动：10Hz~2000Hz 振动（加速度 10g），模拟运输 / 安装过程，无引脚脱落、信号中断。

封装完整性测试

焊盘接触电阻：引脚与焊盘的导通电阻（≤50mΩ，确保信号传输）；

封装密封性：氦质谱检漏（漏率≤1×10⁻⁸ atm・cm³/s，防潮气侵入感光区域）；

透光窗口完整性：窗口玻璃与封装的粘接强度（剪切力≥5N，避免脱落）。

（二）关键测试方法

光学性能测试

分辨率 / MTF：在暗室中，将 ISO 12233 分辨率测试卡置于传感器正前方（距离按焦距设定），采集图像后用专业软件（如 Imatest）分析 MTF 曲线，读取 1000lp/mm 处的 MTF 值；

动态范围：使用 “阶梯灰阶测试卡”（如 20 级灰阶），分别采集高光、阴影区域的灰度值，通过公式 DR=20log₁₀(最大灰度值 / 最小灰度值) 计算动态范围；

低照度灵敏度：在暗室中调节光源照度（从 1000lux 降至 0.001lux），每档照度下采集图像，分析 SNR 值，记录 SNR=40dB 时的最低照度；

色彩还原度：拍摄标准 24 色卡（如 X-Rite ColorChecker），用软件计算每个色块的 ΔE 值，取最大值判断是否合格。

电气性能测试

电源电流：用高精度电源分析仪（如 Keysight N6705B）给传感器供电，设置不同工作模式（预览 / 录像），读取电流值；

高速信号眼图：用示波器（如 Tektronix DPO70000）连接 MIPI-CSI2 接口，采集差分信号，生成眼图，测量眼高、眼宽；

暗电流：将传感器置于暗箱（照度≤0.0001lux），施加工作电压，用微电流计测量像素阵列的总漏电流。

可靠性与封装测试

高低温循环：将传感器安装在测试座上，放入高低温箱（如 ESPEC SH-241），设置 - 40℃（停留 30min）→105℃（停留 30min）为 1 循环，完成 1000 次后复测光学性能；

焊盘接触电阻：用微欧姆计（如 Keithley 2450）连接测试座探针与传感器 pin 脚，施加 100mA 电流，读取电阻值；

密封性测试：用氦质谱检漏仪（如 Pfeiffer ASM 310）将传感器密封后充入氦气，检测泄漏氦气浓度，换算漏率。

测试环境控制

暗室：光学测试需在遮光暗室中进行，背景照度≤0.0001lux，避免环境光干扰；

防静电：全程保持 ESD 防护（静电电压≤50V），传感器感光区域为静电敏感区，需专用防静电夹具；

温度校准：测试前用标准色温灯（5500K）校准光源，确保色彩测试基准一致。

（三）行业测试标准

五、谷易电子 CMOS 图形传感器芯片测试座的关键作用

CMOS 图形传感器测试的核心痛点是 “感光区域需透光、高速信号易串扰、宽温测试接触不可靠、多引脚同步检测难”，谷易电子测试座通过针对性设计解决这些痛点，关键作用体现在五大维度：

透光性与感光区域保护

测试座顶部设 “高透光石英玻璃窗口”（透光率≥99%，波长 400~700nm 可见光无衰减），确保光学测试时光线精准入射感光区域，无光线遮挡或折射导致的测试偏差；

窗口边缘采用软胶密封（材质为耐老化硅橡胶），避免灰尘、水汽接触感光区域，同时防止测试时刮伤传感器表面（划伤会导致暗电流增大）。

高速信号完整性优化

针对 MIPI-CSI2/LVDS 高速接口，采用 “差分信号阻抗匹配设计”（阻抗 50Ω±1Ω），座体内部信号路径长度≤2mm，寄生电感≤1nH、寄生电容≤0.2pF，避免高速信号传输时的反射与串扰，眼图测试眼高提升至 250mV（行业平均 200mV），信号误码率降至 1×10⁻¹² 以下；

电源与信号引脚分区域布线，独立接地（GND）引脚设计，抑制电源噪声耦合到信号链路，暗电流测试误差从 ±2nA 降至 ±0.5nA。

宽温耐受与可靠性测试适配

座体采用耐高温 LCP 工程塑料（耐温 - 55℃~150℃），探针选用耐温铍铜材质（表面镀金厚度≥5μm），可随传感器一同放入高低温箱，满足 - 40℃~105℃车规级温度循环测试，长期测试无探针氧化（接触电阻稳定≤10mΩ）、座体变形；

底部设散热金属垫，与传感器封装散热焊盘紧密贴合，散热效率提升 35%，避免高帧率测试（如 60fps）时传感器温升导致的暗电流增大（温升控制在 5℃以内）。

高精度接触与多工位测试

采用 “弹性探针阵列” 设计，探针直径最小 0.1mm，定位精度 ±0.01mm，适配 CSP（16pin）~BGA（256pin）全系列封装，每个 pin 脚独立接触，无连锡导致的短路误判；

支持 16~32 路并行测试（可定制 64 路），集成 ATE 自动测试系统接口（GPIB/LAN），可同步采集光学参数（MTF、SNR）与电气参数（电流、眼图），测试效率较传统单工位提升 16 倍，单颗传感器测试时间从 5 分钟缩短至 20 秒。

灵活适配操作便捷性

采用 “快拆式探针模组”，更换不同封装型号（如 CSP 转 BGA）时无需更换整个测试座，仅需更换探针模组（耗时≤3 分钟），适配成本降低 70%；

集成 “真空吸附定位” 功能，传感器自动对准感光窗口中心（偏差≤0.02mm），拆装无需工具，避免人工操作导致的位置偏移（偏移会使边缘 MTF 测试误差增大）。

随着 CMOS 图形传感器向 “高像素（如 2 亿像素）、高帧率（如 480fps）、全域快门、近红外兼容” 演进，测试面临两大挑战：一是高像素传感器的 MTF 测试需更高精度的分辨率卡（如 ISO 12233 Type E），二是全域快门的曝光均匀性测试需更精准的时序控制。对此，谷易电子正研发 “智能光学校准测试座”—— 集成标准光源校准模块（实时修正光照强度偏差）与时序同步控制器（曝光误差≤1ns），同时支持近红外（940nm）与可见光双波段测试，为下一代 CMOS 图形传感器的量产测试提供技术支撑。