Sensor gambar diperlukan dalam kamera, dari ponsel hingga teleskop, menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi gambar. Sensor CMOS (Front-Side Illuminated) dan BSI (Backside-Illuminated) bekerja dengan prinsip yang sama tetapi berbeda dalam struktur, memengaruhi penangkapan cahaya, noise, dan kualitas warna. Artikel ini menjelaskan desain, kinerja, kegunaan, dan perkembangan masa mendatang secara rinci.
CC7. Dari BSI ke Arsitektur CMOS Bertumpuk
Ikhtisar Sensor CMOS vs BSI
Setiap kamera, mulai dari smartphone di saku Anda hingga teleskop yang menjelajahi galaksi yang jauh, tergantung pada seberapa efisien sensor gambarnya menangkap cahaya. Sensor CMOS dan BSI mengikuti prinsip semikonduktor yang serupa, tetapi perbedaan strukturalnya menyebabkan variasi besar dalam sensitivitas cahaya, kinerja noise, dan kualitas gambar. Dalam sensor CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) tradisional, kabel logam dan transistor berada di atas fotodioda, sebagian menghalangi cahaya yang masuk dan mengurangi sensitivitas secara keseluruhan. Desain ini membuat sensor CMOS hemat biaya dan lebih mudah diproduksi, tetapi membatasi kinerja cahaya redup. Sebaliknya, sensor BSI (Back-Side Illuminated) membalik struktur, memposisikan fotodioda di atas sehingga cahaya mencapainya secara langsung tanpa halangan. Ini meningkatkan efisiensi kuantum, mengurangi noise, dan meningkatkan kinerja dalam sistem pencitraan ringkas atau kelas atas, mulai dari kamera DSLR hingga instrumen ilmiah.
Arsitektur Sensor CMOS
Sensor CMOS Front-Side Illuminated (FSI) mewakili struktur sensor gambar yang lebih awal dan lebih konvensional yang digunakan dalam kamera digital dan smartphone. Dalam arsitektur ini, cahaya yang masuk harus melewati beberapa lapisan bahan sebelum mencapai fotodioda, wilayah peka cahaya yang bertanggung jawab untuk mengubah foton menjadi sinyal listrik.
Proses Kerja
Setiap piksel dalam layar beroperasi melalui proses terkoordinasi yang melibatkan lensa mikro, filter warna, interkoneksi logam, transistor, dan lapisan fotodioda. Lensa mikro pertama-tama memfokuskan cahaya masuk melalui filter warna merah, hijau, dan biru, memastikan bahwa hanya panjang gelombang tertentu yang mencapai setiap subpiksel. Di atas fotodioda, interkoneksi logam dan transistor mengelola kontrol listrik piksel dan pembacaan sinyal, meskipun posisinya sebagian dapat menghalangi sebagian cahaya yang masuk. Di bawah lapisan ini terletak fotodioda, yang menangkap cahaya yang tersisa dan mengubahnya menjadi muatan listrik, membentuk sinyal gambar dasar piksel.
Keterbatasan Desain FSI
• Sensitivitas Cahaya Berkurang: Sebagian cahaya dipantulkan atau diserap oleh lapisan kabel dan transistor sebelum dapat mencapai fotodioda.
• Faktor Pengisian Lebih Rendah: Saat ukuran piksel menyusut, rasio area peka cahaya terhadap area piksel total berkurang, yang menyebabkan lebih banyak noise.
• Kinerja Cahaya Rendah yang Lebih Lemah: Sensor FSI berjuang di lingkungan redup dibandingkan dengan alternatif modern seperti sensor BSI.
Di dalam Sensor CMOS BSI
Sensor CMOS Backside-Illuminated (BSI) merevolusi pencitraan digital dengan mengatasi kelemahan utama dari desain Front-Side Illuminated (FSI) tradisional, penyumbatan cahaya dari kabel logam dan transistor. Dengan membalikkan struktur sensor, BSI memungkinkan cahaya yang masuk mencapai fotodioda secara langsung, secara dramatis meningkatkan efisiensi cahaya dan kualitas gambar.
Fungsi Teknologi BSI
• Wafer silikon ditipiskan menjadi hanya beberapa mikrometer untuk mendedahkan lapisan fotosensitif
• Lapisan fotodioda diposisikan di sisi atas, langsung menghadap cahaya yang masuk
• Kabel logam dan sirkuit transistor dipindahkan ke sisi belakang, mencegahnya menghalangi jalur cahaya
• Lensa mikro canggih disejajarkan secara tepat di setiap piksel untuk memastikan pemfokusan cahaya yang optimal
Keuntungan dari Sensor BSI
• Efisiensi Penyerapan Cahaya yang Lebih Tinggi: Peningkatan hingga 30–50% dibandingkan dengan sensor FSI, menghasilkan gambar yang lebih cerah dan bersih.
• Performa Cahaya Rendah yang Unggul: Pengurangan kehilangan foton meningkatkan sensitivitas dan meminimalkan noise di lingkungan gelap.
• Akurasi Warna yang Ditingkatkan: Dengan jalur cahaya yang tidak terhalang, filter warna menghasilkan nada yang lebih akurat dan jelas.
• Desain Piksel Kompak: BSI mendukung ukuran piksel yang lebih kecil sambil mempertahankan kualitas gambar, ideal untuk sensor resolusi tinggi.
• Rentang Dinamis yang Ditingkatkan: Tangkapan sinyal yang lebih baik di area pemandangan yang terang dan redup.
Perbandingan Efisiensi dan Sensitivitas Cahaya
| Fitur | Sensor CMOS FSI | Sensor BSI |
|---|---|---|
| Jalan Cahaya | Cahaya melewati kabel → kehilangan sebagian | Langsung ke fotodioda → kerugian minimal |
| Efisiensi Kuantum (QE) | 60–70% | 90–100% |
| Performa Cahaya Rendah | Sedang | Luar biasa |
| Refleksi & Crosstalk | Tinggi | Rendah |
| Kejernihan Gambar | Rata-rata | Tajam dan terang dalam cahaya redup |
Faktor Penyusutan dan Isi Piksel
Dalam Sensor CMOS FSI
Saat ukuran piksel turun di bawah 1,4 μm, interkoneksi logam dan transistor menempati luas permukaan yang lebih besar. Faktor pengisian berkurang, menghasilkan lebih sedikit cahaya yang ditangkap per piksel dan peningkatan noise gambar. Hasilnya adalah gambar yang lebih gelap, kontras yang berkurang, dan kinerja yang lebih lemah dalam kondisi cahaya redup.
Dalam Sensor CMOS BSI
Fotodioda diposisikan di atas kabel, memungkinkan cahaya menyerangnya secara langsung. Konfigurasi ini mencapai faktor pengisian hampir 100%, yang berarti hampir seluruh area piksel menjadi sensitif terhadap cahaya. Sensor BSI mempertahankan kecerahan yang seragam dan rasio signal-to-noise (SNR) yang lebih tinggi di seluruh bingkai gambar. Mereka juga memberikan kinerja cahaya rendah yang unggul, bahkan dalam modul ringkas seperti kamera smartphone atau drone.
Crosstalk, Kebisingan, dan Difusi Backside
| Aspek | Potensi Masalah pada Sensor CMOS (FSI) | Potensi Masalah pada Sensor BSI | Solusi Rekayasa | Dampak pada Kualitas Gambar |
|---|---|---|---|---|
| Crosstalk Optik | Cahaya tersebar atau terhalang oleh kabel logam sebelum mencapai fotodioda, menyebabkan pencahayaan yang tidak merata. | Cahaya bocor ke piksel tetangga karena paparan bagian belakang. | Isolasi Parit Dalam (DTI): Menciptakan penghalang fisik antar piksel untuk mencegah interferensi optik. | Gambar yang lebih tajam, pemisahan warna yang lebih baik, dan pengurangan keburaman. |
| Isi Ulang Biaya | Pembawa muatan hilang dalam lapisan silikon atau logam tebal, menurunkan sensitivitas. | Rekombinasi Bagian Belakang: Pembawa bergabung kembali di dekat permukaan yang terbuka sebelum dikumpulkan. | Lapisan Pasif & Perawatan Permukaan: Mengurangi cacat dan meningkatkan pengumpulan muatan. | Sensitivitas yang ditingkatkan dan mengurangi kehilangan sinyal. |
| Efek Mekar | Pencahayaan berlebih dalam satu piksel menyebabkan piksel yang berdekatan jenuh karena difusi sisi depan. | Pencahayaan berlebih menyebarkan muatan di bawah lapisan silikon yang menipis. | Doping Permukaan & Penghalang Pengisian Daya: Menahan muatan dan mencegah luapan air. | Mengurangi garis-garis putih dan sorotan yang lebih halus. |
| Kebisingan Listrik & Termal | Panas dari transistor pada piksel menghasilkan noise di jalur sinyal. | Kebisingan tembakan yang lebih tinggi karena silikon tipis dan sirkuit padat. | Amplifier kebisingan rendah & algoritma pengurangan kebisingan on-chip. | Gambar yang lebih bersih, peningkatan kinerja cahaya redup. |
| Batasan Faktor Pengisian | Lapisan logam dan transistor menutupi area piksel yang besar, mengurangi sensitivitas cahaya. | Hampir dihilangkan - fotodioda sepenuhnya terkena cahaya. | Struktur BSI & Optimasi Lensa Mikro. | Tangkapan cahaya maksimum dan kecerahan yang seragam. |
Dari BSI ke Arsitektur CMOS Bertumpuk
Struktur Sensor CMOS Bertumpuk
| Lapisan | Fungsi | Deskripsi |
|---|---|---|
| Lapisan Atas | Array Piksel (Desain BSI) | Berisi fotodioda peka cahaya yang menangkap cahaya yang masuk, menggunakan struktur BSI untuk memaksimalkan sensitivitas. |
| Lapisan Tengah | Sirkuit Analog/Digital | Menangani tugas konversi sinyal, amplifikasi, dan pemrosesan gambar secara terpisah dari array piksel untuk output yang lebih bersih. |
| Lapisan Bawah | Integrasi Memori atau Prosesor | Dapat mencakup inti pemrosesan DRAM atau AI tertanam untuk buffering data yang cepat dan peningkatan gambar waktu nyata. |
Keuntungan dari Sensor CMOS Bertumpuk
• Pembacaan Ultra-Cepat: Memungkinkan pemotretan beruntun berkecepatan tinggi dan pengambilan video aktual hingga resolusi 4K atau 8K dengan distorsi rana bergulir minimal.
• Pemrosesan On-Chip yang Ditingkatkan: Mengintegrasikan sirkuit logika yang melakukan penggabungan HDR, koreksi gerakan, dan pengurangan noise langsung pada sensor.
• Efisiensi Energi: Jalur data yang lebih pendek dan domain daya independen meningkatkan • throughput sekaligus mengurangi konsumsi daya.
• Faktor Bentuk Lebih Kecil: Penumpukan vertikal memungkinkan desain modul ringkas yang ideal untuk smartphone, kamera otomotif, dan drone.
• Dukungan AI dan Pencitraan Komputasi: Beberapa sensor bertumpuk menyertakan prosesor saraf khusus untuk fokus otomatis cerdas, pengenalan pemandangan, dan peningkatan waktu nyata.
Rentang Dinamis dan Kinerja Warna dalam Sensor CMOS vs BSI
Sensor BSI (Backside-Illuminated)
Dengan menghilangkan kabel logam di atas fotodioda, sensor BSI memungkinkan foton mencapai area peka cahaya secara langsung. Struktur ini meningkatkan kapasitas sumur penuh, meningkatkan penyerapan cahaya dan meminimalkan kliping sorotan. Hasilnya, sensor BSI menawarkan kinerja HDR yang unggul, kedalaman warna yang lebih baik, dan gradasi bayangan yang lebih halus, menjadikannya yang terbaik untuk fotografi HDR, pencitraan medis, dan pengawasan cahaya redup.
Sensor FSI (Sisi Depan Bercahaya)
Sebaliknya, sensor FSI membutuhkan cahaya untuk melewati beberapa lapisan sirkuit sebelum mencapai fotodioda. Hal ini menyebabkan refleksi dan hamburan parsial, yang membatasi rentang dinamis dan kemampuan pemetaan nada. Mereka lebih rentan terhadap pencahayaan berlebihan dalam kondisi terang dan seringkali menghasilkan warna yang kurang akurat dalam bayangan yang dalam.
Aplikasi CMOS vs Sensor BSI
Sensor CMOS (FSI)
• Visi mesin
• Inspeksi industri
• Endoskopi medis
• Kamera pengintai
Sensor BSI
• Smartphone
• Kamera digital
• ADAS Otomotif
• Astronomi dan pencitraan ilmiah
• Perekaman video 8K
Perkembangan Masa Depan dalam Sensor CMOS vs BSI
• Desain bertumpuk 3D menggabungkan lapisan piksel, logika, dan memori untuk pembacaan ultra-cepat dan pencitraan berbasis AI.
• Sensor BSI rana global menghilangkan distorsi gerakan untuk robotika, drone, dan sistem otomotif.
• CMOS organik dan sensor titik kuantum memberikan sensitivitas yang lebih tinggi, respons spektral yang lebih luas, dan warna yang lebih kaya.
• Pemrosesan AI pada sensor memungkinkan pengurangan kebisingan waktu nyata, deteksi objek, dan kontrol pencahayaan adaptif.
• Platform pencitraan hibrida menggabungkan keunggulan CMOS dan BSI, meningkatkan rentang dinamis dan mengurangi penggunaan daya.
Kesimpulan
Sensor CMOS dan BSI telah membentuk kembali pencitraan modern, dengan BSI menawarkan sensitivitas cahaya yang lebih tinggi, lebih sedikit noise, dan akurasi warna yang lebih baik. Munculnya CMOS bertumpuk dan sensor terintegrasi AI semakin meningkatkan kecepatan, kejernihan gambar, dan rentang dinamis. Bersama-sama, teknologi ini terus memajukan fotografi, pengawasan, dan pencitraan ilmiah dengan presisi dan efisiensi yang lebih tinggi.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Bahan apa yang digunakan dalam sensor CMOS dan BSI?
Kedua-duanya menggunakan wafer silikon. Sensor BSI juga mencakup lapisan silikon yang menipis, lensa mikro, dan interkoneksi logam untuk penyerapan cahaya yang lebih baik.
Jenis sensor mana yang menggunakan lebih banyak daya?
Sensor BSI mengkonsumsi lebih banyak daya karena desainnya yang kompleks dan pemrosesan data yang lebih cepat, meskipun desain modern meningkatkan efisiensi.
Mengapa sensor BSI lebih mahal daripada CMOS?
Sensor BSI memerlukan langkah pembuatan tambahan, seperti penipisan wafer dan penyelarasan lapisan yang tepat, yang membuatnya lebih mahal untuk diproduksi.
Bagaimana sensor ini menangani panas?
Suhu tinggi meningkatkan kebisingan di kedua sensor. Desain BSI sering kali menyertakan kontrol termal yang lebih baik untuk menjaga kualitas gambar tetap stabil.
Bisakah sensor CMOS dan BSI mendeteksi cahaya inframerah?
Ya. Ketika dilengkapi dengan pelapis sensitif IR atau filter yang dilepas, keduanya dapat mendeteksi inframerah, dengan BSI menunjukkan sensitivitas IR yang lebih baik.
Apa tujuan lensa mikro pada sensor gambar?
Lensa mikro memandu cahaya langsung ke fotodioda setiap piksel, meningkatkan kecerahan dan efisiensi pada sensor BSI yang lebih kecil.