互補金屬氧化半導體影像感測器(Complementary metal-oxide semiconductor Image Sensor, CIS )在技術不斷提升下，進一步的擴大CIS應用市場的版圖，除了最大宗的手機市場之外，數位相機、數位攝影機、個人數位助理、網路攝影機、玩具相機等都是可進攻的利基市場。
過去幾年CIS主要市場在電腦和玩具攝影機(Toy Camera)、印表機、傳真機等對畫質較不講究，而強調低成本、高整合、低耗電的中低階產品，直到2003年數位相機、數位錄影機及手機整合相機模組的風氣開始流行，加上技術的成長與突破，透過手機龐大的潛在市場規模快速拓展了CIS的新需求。以手機、數位相機及其他手持式裝置來說，CMOS具備製程標準化、成本較低、周邊電路整合性佳、體積小、省電(小於3V即可驅動)等優點，非常符合手持產品的要求，而標準化製程對於量產的助益亦影響相當大。
新應用加速CIS市場成長
目前影像感測器最大的應用即是在手機市場，大都由手機大廠直接採用影像感測模組，台灣業者的機會並不多，因此，大部分廠商運用現有的技術，投入更多的心力尋找新的應用，包括汽車、保全監視器、筆記型電腦、指紋掃描機、遊戲機、醫療儀器等產品，未來都將會大量採用CIS，使得CIS市場呈現出快速發展的趨勢。根據日本對CIS的市場統計(圖1)，2004年CIS全球出貨量，約達到1.4億顆水準，2005年出貨量成長為30.5%，將可達至1.84億顆水準，至2009年則將達4.31億顆。
感光度提升與雜訊抑制挑戰設計
CIS容易整合自動化曝光、控制、對焦及色彩平衡等功能，加上後段模組化封裝技術支援，藉由多功能、小尺寸等優勢，快速進入強調輕、薄、短、小的照相手機市場，雖然CIS單晶片具備上述多項優勢，但卻仍有部份「暗態環境下感光度差」及「雜訊過高」的瓶頸有待克服。
CIS接受光線的強度越強，反應出來的電力也就會越強，因此感光度的好壞，通常也決定CMOS影像的優劣。此外，必須注意一致性(Uniformity)，也就是中央和邊緣地區的色彩及焦距是否均勻的一致性，或鏡頭與CIS上的彩色濾光片對焦是否會出現偏差而造成失真現象。另外，雜訊過高方面，由於電晶體數過多而大幅壓縮受光面積，以導致畫質呈現效果無法提升。在設計上，必須留意類比、數位電路設計、光學特性及混合訊號處理等議題，即電流控制、雜訊抑制、光電訊號轉換及放大、轉換為數位訊號時的精準度、曝光控制、色彩處理等方面，尤其是在整合類比、數位和混合訊號時，必須避免互相干擾，挑戰業者的技術能力。
從光使用效率與擴大受光提高感光
在高感光部份，從「提升光使用效率」及「擴大受光」兩方面著手，在「提升光使用效率」方面，將微透鏡與內透鏡感測器之設計方向達到最佳化，並透過畫素尺寸縮小化技術，減少電晶體數與線路、集中光二極體光源進而提高受光面積與發光效率，受光面積由原先的10%快速提升至30%，呈現較好的畫質效果。「擴大受光」方面，則透過擴大微透鏡的實質有效開口率及縮小透鏡間的間隔以改善畫質。在降低雜訊部份，業者主要從四方面著手：(1)將ADC集積於晶片上，減少類比雜訊；(2)採用雜音消除電路以減少固定雜訊；(3)採用補償式光二極體構造，減少暗電流雜訊；(4)針對接腳型二極管增加第四個電晶體，進而降低隨機雜訊。如松下電子，採用「MAICOVICON」技術，訴求在同樣畫素下只須消耗CCD1/5的功耗，使CIS在畫質提升與畫素縮小的效能平衡上取得革命性的突破，加上模組尺寸的上限逐步放寬，使得在畫素尺寸及畫質效果大幅接近與CCD之間的差距，開始在100~300萬素的中高階照相手機市場加強競爭條件。先前美光已發展出4T(Transistor)架構及數位清晰(Digital Clarity)技術，使感測器的成像品質能接近CCD感測器的成像品質，包括低暗電流、減少串音干擾、低時域雜訊，能提供較細膩的影像品質；三菱則發展出以2個Pixel共用3個電晶體(Transistor)的模式，藉以提升填充係數(Fill Factor)和降低雜訊，進一步提升畫質以縮小畫素尺寸；豪威(OmniVision)產品的特點是將數位訊號處理器(Digital Signal Progress, DSP)電路整合在感測器中，可加速影像的處理速度，使系統業者導入設計的時間相對較短。
2006年CMOS需求快速成長
2004年CIS的主要應用包括照相手機、數位相機/數位攝影機、網路攝影機、監視系統、車用感測器等產品(圖2)，其中又以照相手機佔最大宗約78%，其次為網路攝影機、數位相機/數位攝影機、監視系統，預計未來市場仍以照相手機占有率最高，但在越來越注重居家安全及數位家庭的趨勢推廣下，監視系統將成為主要發展的應用市場。
相機手機邁入200萬畫素時代
CMOS雖從CIF畫質切入照相手機，不過2004～2005年主流畫素皆以VGA為主，比起電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)感測器跨入百萬畫素手機的應用，慢了將近一年，但如果以技術而言，從VGA走入的百萬畫素，只花了9個月時間，目前百萬畫素與VGA級模組的價差，已經在3～4美元之間，加上模組後端影像處理晶片後，130萬影像感測模組加後段晶片報價約在9美元，因此現在手機主要搭配百萬畫素，而200萬畫素產品預期也只需9個月時間，部分手機大廠將推出200萬畫素之高階機種，預期在2006年底前200萬畫素將成為市場主流(圖3)。
在照相手機上，CIS在設計上主要強調在降低功耗和提升畫質兩方面，在降低功耗部分，一方面是電壓必須降到更低，製程則配合推進至0.18微米以上，甚至是0.13微米；另一方面則是改進電路設計，降低使用的輸入電流。在130萬畫素CMOS感測器，目前已做到1/3.5吋，逼近VGA的1/4吋，但是還未能進行高良率的量產，到達1/3吋時，畫素尺寸是3.6μm×3.6μm，已經極小，製程也必須推進至0.18微米；若是到了1/3.5吋，畫素尺寸則為3.18μm×3.18μm。如主要業者：美光在2004年已量產的130萬畫素CIS，採0.15微米製程生產，尺寸為1/3寸，畫素尺寸為3.2μm；2005年量產的200萬畫素CIS，採用0.13微米製程，尺寸為1/4寸，畫素尺寸為2.8μm；豪威推出OV9650 130萬畫素為低電壓CIS，適用於嵌入式手持應用產品。雖然豪威、美光、三星等業者陸續在2005年時推廣200萬畫素CIS，CIS本身的影像品質也通過認證，不過，鏡頭的微型化以及CMOS影像感測模組封裝的良率問題，仍未能完全突破。或是300萬畫素的感測器推出，如美光310萬畫素的感測器MT9T012產品及東芝「ET8E99－AS」，光學尺寸為1/2.6吋，總畫素數為320萬，畫素點距2.7微米，在產品品質及縮小尺寸等方面仍須改善。
在2005年國際大廠手機搭配相機比例達到59%，照相手機價格成為驅動消費者購買的考量點，消費者已經不太在乎是否需要經常使用到數位相機，在國際大廠極力推廣之下，現在3G手機、智慧型手機、PDA手機、WiFi手機皆搭配相機功能，在2009年時搭配相機的手機比例高達85%(圖4)，全球市場將有7.7億支手機具有照相功能，其中5成以上都將是使用CIS。
台灣業者門檻最高 商機最大
以VGA等級的CMOS感測器而言，全球多達20家業者有能力推出產品，但到了百萬畫素，全球卻只剩下4～5家業者(美光、豪威、海力士、銳相、三星)可以提供品質與價格合乎手機上使用的CIS，台灣要切入感測器供應者角色，第一是標準CMOS規格量產幾乎不成問題，不致發生缺貨而讓台灣業者有可趁之機；第二是手機大廠對品質要求更多，貨源無缺之虞，導致業者困難重重；如果以台灣模組組裝業者而言，2003年跨入模組組裝之廠商多達20家以上，但經過兩年淘汰，可以獲得有效益訂單業者僅剩10家(普立爾、群光、光寶、致伸、敦南、亞光、美錡、天瀚、鴻海陽信)；另一商機來自照相手機鏡頭，成為發展照相手機商機最大之處，領先業者，大立光(70%為百萬畫素鏡頭)、玉晶(78%為VGA畫素鏡頭)。
CMOS高低階數位相機市場通吃
CIS在數位相機目前的發展看來，雖然在2004年底及2005年上半年時，已有搭配CMOS 500萬畫素相機推出，但影像品質不佳，導致台灣許多主推CIS的數位相機廠商受到影響，而且在與CCD的產品價格競爭下，CMOS並無法占到輕薄、畫質、價格等優勢，因此，消費型的數位相機500~800萬畫素未來依舊是CCD影像感測器獨霸的局面。不過，國際大廠在推出專業型數位單眼相機的機種，多使用CMOS做影像感測器，如日本佳能推出搭載800萬畫素CIS的單眼數位相機EOS 350D，並認為隨著CMOS技術的提升，未來800萬畫素以上的數位相機將以CMOS產品為主流；此外，SONY則採用1,030萬CIS新機種「Cybershot DSC-R1」，CMOS元件尺寸21.5～14.4mm，未來在最高階的數位單眼相機與最低階的玩具相機將成為CMOS的天下。
全球DV市場緩慢成長 低階市場待開發
由於現在數位相機、手機、個人數位助理(PDA)上多半附有動態錄影功能，使得全球數位攝影機(DV)市場呈現緩慢成長的態勢(圖5)，從2003年的1,303萬台成長至2008年的1,513萬台，國際主要大廠，包括新力、夏普、國際牌皆把DV當做是利基型市場，此市場殺價競爭狀況不如其他消費性電子產品那麼激烈，如新力推出搭載297萬畫素CMOS的高階攝影機「HDR-HC1」，即利用其小型與高畫質的特色，而頗獲市場好評。
在台灣廠商方面，如要切入數位相機市場，只剩幾家代工大廠機會較大，主要轉移之數位攝影機產品，與日系品牌大廠價格落差2~3倍，高低階產品價差明顯，使得台灣業者切入此市場仍有許多機會，如群光推出輕薄如手機造型之產品，整合數位錄影機、數位相機、USB Web Cam、MP3 player與儲存設備等多功能的個人多媒體娛樂產品；天瀚則推出300萬畫素配搭2吋低溫多晶矽(Low Temperature Poly Silicon, LTPS)面板的大螢幕產品，搶攻數位攝影機之中、低階產品市場。
網路攝影機等待視訊商機
對於網路攝影機的市場發展(圖6)，由於使用者多半有上網視訊聊天的習慣，或是全球化經營的大公司或子公司眾多開會時所需，因此，在視訊會議未成為公司主要開會的模式下，全球的需求仍較局限在特定消費者上，其中關鍵零組件之－的CCD生產在少數幾家日本廠商(新力、夏普、富士)，加上DSP晶片掌控在德州儀器、亞德諾、飛利浦等手上，台灣廠商欲降低產品成本難度較高，不過，現在CIS應用在網路攝影機上的畫素提升至百萬畫素以上，且價格多落在新台幣1000~2000元間，商機逐漸浮現，但面對未來網路視訊電話的推廣，網路攝影機市場成長將受限。
數位家庭興起 CCTV商機無窮
傳統的閉路電視(Closed Circuit Television, CCTV)系統主要包括前端的攝影機、鏡頭，進行訊號傳輸的同軸電纜，負責進行畫面分割處理、切換控制的影像處理器，用於對於多台攝影機進行切換、控制動作的矩陣，以及後端用於監看畫面的監視器，用於儲存影像的錄影機等。隨著半導體技術的發展，處理器效能越來越快及壓縮技術MPEG-4逐漸成熟，加上硬碟容量的增加與價格的降低，讓數位技術有機會進入傳統的類比式監視系統。在攝影機拍攝到畫面的同時，便將畫面加以數位化壓縮，然後透過網路(LAN或Internet)將訊號傳輸出去，使消費者可以使用網路瀏覽器來存取遠端攝影機，進行遠端監控，實行居家安全及醫療看護等工作。
近年來，由於數位技術的引進，吸引了許多台灣IT與家電大廠加入監控產業，其中包括研華、奇偶、麗台、宏等廠商投入監控行業，開發出數位錄影機、影像伺服器或是網路攝影機等數位化監控產品，其中CIS的畫質大幅提升並配合相關的影像提升軟體，使得CIS也易於切入監視系統市場，加上數位家庭成為現在資訊大廠發展重點，未來CMOS在監視系統的應用市場商機潛力龐大。
安全訴求下帶動車用感測器成長
車用感測器上的使用目標多樣，就量測標的特性分類上做區分，車用感測器可以分為感測：物理量、駕駛人行為與環境監測等，目前一輛汽車上大約安裝幾十到近百顆感測器，而高級汽車上的感測器數量可多達200餘顆。車用感測器數量多寡已成為判斷是否為現代化車輛的重要指標，其中汽車安全氣囊裝置是大量生產且得到廣泛應用的感測器，而在半導體技術的成長下，以微機電技術開發之各種感測器，運用其體積小、傳輸快、功能強之特點，強化汽車功能。東芝其所開發的感應器為1/2吋，可拍攝640～480，可照度方面，同一畫面從0.01流明提升到10萬流明，明暗對比呈現提升，並可做光量的調節。
由於汽車後視鏡等內建CIS需求，車用CIS市場規模，將成長至400萬台以上的市場規模，到了2010年，車用CIS市場產值，估計將達到4億美元。繼美光在2004年底宣布，推出車用CIS後；豪威也在2005年第一季，宣布推出車用CIS，可以支援汽車後座顯示、倒車監視、安全氣囊監測，以及車道切換警示等功能，並可協助降低車用CMOS影像感測模組的材料成本，降至每個30美元以下，較目前主流的車用CCD影像感測模組，便宜3倍以上。
(詳細圖表請見新電子239期2月號)
