Fraunhofer IMS

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut Duisburg (IMS) bietet die Eureca die Entwicklung von kundenspezifischen CMOS-Sensoren an.

Das IMS verfügt über langjährige Erfahrung in den Bereichen Bauelemente und Technologie, Sensorik und Mikrosystemtechnik, Schaltungsentwurf, System- und Anwendungstechnik, sowie CAD und Tests. Hiermit deckt das IMS als einziges Mikroelektronikinstitut in Deutschland alle benötigten Bereiche der Entwicklung von kundenspezifischen Bildsensoren auf CMOS-Basis ab.

In Duisburg arbeiten ca. 250 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker mit Anlagen und Geräten nach neuestem Stand der Technik. Das umfangreiche Know-how wird durch eigene Forschung mit der Grundfinanzierung, die 20% des Institutsbudgets ausmacht, ständig erweitert. Die öffentliche Verbundprojektförderung mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft trägt zu 25% zum IMS-Budget bei. Kundenspezifische Entwicklungen erfolgen in direkten Forschungs- und Entwicklungsaufträgen gegen Vergütung.

Das IMS entwickelt gemeinsam mit Ihnen und der Eureca maßgeschneiderte Lösungen für Ihre Anwendungen! Das IMS ist in der Lage, Produkte nach Ihren Spezifikationen zu entwickeln und in einer eigenen Halbleiterfertigungslinie in CMOS-Technologie zu fertigen. Als zuverlässiger Partner betreut es Ihre Produktidee von der Spezifikation bis zur Serienreife. Aufgrund des Anlagenparks in den vorhandenen Reinräumen ist es hervorragend geeignet, Ihre Second-Source oder Foundry zu sein.

Mögliche Formen der Zusammenarbeit sind:

• Konzept- und Machbarkeitsstudien
• Entwicklung von Demonstratoren und Prototypen von CMOS-Bildsensoren
• Fertigung von CMOS-Bildsensoren in Vor-, kleinen und mittleren Serien
• Fehleranalysen, Simulationen, Beratungen

CMOS-Bildsensoren / CMOS-Photodetektoren

Als ein neuer Technologieansatz spielt die CMOS-Bildsensorik eine immer wichtigere Rolle sowohl für die Bildaufnahme und Bildverarbeitung als auch in der optischen Messtechnik. Die Anwendungen decken verschiedene Felder ab, wie z. B. Multimedia, Automotive, Industrie- und Gebäudeautomatisierung, Robotik, Umweltschutz, Medizin, Sichtprüfung für Qualitätskontrolle und Sicherheitsanwendungen.

Die Forschung und Entwicklung in CMOS-Bildsensorik am Fraunhofer IMS konzentriert sich auf die folgenden Bereiche:

Innovative Entwicklung von Bild- und optischen Sensoren auf CMOS-Basis

• höchste Leistung zu niedrigen Kosten
• Fertigbarkeit in Standard-CMOS-Technologie
• System- und Anwendungsunterstützung

Forschung in fortgeschrittener CMOS-Bildsensorik

• Entwicklung neuartiger Photodetektoren und Ausleseverfahren
• Entwicklung neuer Bildsensoren und Bildverarbeitungskonzepte
• Schaffung von Grundlagen künftiger Bild- und optischer Mess-Systeme

Wesentliche Vorteile von CMOS-Bildsensoren gegenüber CCD-Bildsensoren

• Frei wählbarer Pixelzugriff;
• hohe optische Helligkeitsdynamik;
• großer Temperaturbereich;
• geringer Leistungsverbrauch;
• nur eine Versorgungsspannung;
• kein »Blooming«, »Smearing« oder »Time lag«;
• Möglichkeit der »on-chip«-Elektronik-Integration.

Der letzte Punkt bedeutet, dass Ein-Chip-CMOS-Kameras mit Taktgenerierung, Kamerasteuerung und Arbeitspunkteinstellung, elektronischem Verschluss, Schnittstellen und anderen Signalverarbeitungsfunktionen realisiert werden können.

Die Arbeiten umfassen Sensor-, Schaltungs- und Systemdesign einschließlich Algorithmen und Softwareentwicklung für Bildverarbeitung und optische Messtechnik. Eine Reihe von ein- und zweidimensionalen CMOS-Bildsensoren sind für verschiedene Anwendungen entwickelt worden. Basierend auf diesen Sensoren sind Systeme gestaltet worden, die für verschiedene Labor-Demonstrationen und Anwendungsexperimente eingesetzt werden.

Einige Beispiele

• Hochgeschwindigkeits-CMOS-Bildsensor HFR 256 (>1.000 Bilder/Sek.)
• Low-Power CIF-CMOS-Bildsensor (<35mW)
• CMOS-Bildsensor mit hoher Auflösung (1Mpixel) und ROI Auslese mit Objektnachverfolgung
• 2D-CMOS optische Bewegungsmelder mit NIR Beleuchtung (Near Infra Red)
• 3D-CMOS-Bildsensor basierend auf Laufzeitmessung (Time of Flight Prinzip)
• CMOS-Zeilensensor mit hoher Auflösung und hoher Auslesegeschwindigkeit
• blauempfindliche CMOS »pick-up« Einheit für künftige DVD-blue-Laser
• CMOS-Detektormatrix für röntgenbasierte CT
• CMOS-Bildsensor mit 120dB Helligkeitsdynamik für Automotive Anwendungen

CMOS-Linearsensor für spektroskopische Anwendungen

Viele industrielle Anwendungen erfordern lineare Bildsensoren mit hoher Empfindlichkeit und geringem Rauschen. Als Beispiel liefert die Glimmentladungsspektroskopie (Spektroskopie, die durch Funken bzw. Laser induziert wird) Informationen über die qualitative und quantitative Beschaffenheit eines zu analysierenden Materials. Wegen ihrer extrem hohen Empfindlichkeit im ultra-violetten (UV) Bereich und der Möglichkeit, zeitlich aufgelöste Messungen durchzuführen, werden seit 1960 Photoelektronenvervielfacher als Standard-Detektoren im Bereich der Funken-Spektroskopie genutzt.

Da Photoelektronenvervielfacher nur ein Signal an einer individuellen Position des räumlich verteilten Spektrums detektieren können, benötigt man für ein Universal-Spektrometer viele Photoelektronenvervielfacher. Demzufolge konnten diese Geräte die Bedürfnisse des Marktes nicht hinreichend befriedigen. Dagegen können die weit verbreiteten CCD-Linearsensoren das emittierte sichtbare Spektrum von 400nm–1000nm zeitgleich detektieren, brauchen aber normalerweise mehrfache Integrationen, um die betrachtete Emissionslinie darzustellen. Sensoren auf CMOS-Basis stellen eine gute Alternative zu Photoelektronenvervielfachern und CCDs dar, da sie sowohl zeitaufgelöste Messungen als auch räumliche Auflösung bieten. Ein CMOS-Linearsensor, der auf einem LDPD (Lateral Drift-Field Photodetektor) basiert, nutzt kurze Belichtungszeiten (gating), störungsfreie Auslesung und Ladungsakkumulation über mehrere Zyklen. Dies verstärkt das Signal-Rausch-Verhältnis und reduziert folglich den Messzyklus bei einer erhöhten OES-Messauflösung.

Der entwickelte CMOS-Linearsensor ist im UV-Bereich des Spektrums empfindlich und weist eine hohe spektrale Empfindlichkeit sowie eine hohe Dynamik auf, die auch durch Akkumulation der Signalladung über mehrere Messzyklen erreicht werden kann. Minimaler Dunkelstrom ermöglicht eine lange Integrationszeit (~10 Sek.).

Der LDPD-basierte CMOS-Linearsensor bietet schnelle Ladungsübertragung mit verringertem Übersprechen, was durch eine verbesserte Technologie infolge einer umfassenden LDPD-Simulation und Optimierung erfolgte.

Zerstörungsfreies Auslesen, zusammen mit der Möglichkeit von zeitaufgelösten Messungen, macht den entwickelten CMOS-Linearsensor zu dem idealen Detektor für Funken-Emissions-Spektroskopie und bietet hiermit einen Ersatz für Hybriddetektoren im Allgemeinen.

• Sensitiver Bereich 3680µm*200µm
• Pixelabstand 10µm
• Conversion gain 17µV/e^–
• Empfindlichkeit @525nm 530V/(µJ/cm²)
• Quanteneffizienz @525nm 60%
• Linearität 0,5%
• Saturationskapazität 59ke^–
• Sense node Kapazität 7,50fF
• Signal-Rausch-Verhältnis 46dB
• Dynamikbereich 52dB
• DSNU1288 7,5mV
• PRNU1288 1,6%
• Elektrischer Nebensignaleffekt <4%
• Dunkelsignal (@T=22°C) 75mV/s
• Prozess 0,35µm 2P4M CMOS + LDPD
• UV-Transparent Passivation