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KaBe-04.11.2003 / ©Jena-Optronik GmbH

Active Pixel SensorenNeue Detektoreigenschaften und Funktionen

Seite 1

Titel in Arial 36pt. FettUntertitel in 32pt. Fett

Active Pixel Sensoren• Motivation• Herstellungstechnologien• Detektoreigenschaften• Parametervergleich• Perspektiven der Anwendung

2. Raumfahrt Technologietage

DLR, Köln Porz

4. und 5. November 2003



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APS? versus ?

CCD

Herstellungstechnologien

APS ist nicht gleich APS

der TFC APS gegen- CMOS APS und - CCD

Anwendungsmatrix

die Stärken des TFC APS richtig

ausgenutzt

Präsentationsfahrplan



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APS sind besser im Vergleich zur CCD:

einfachere Stromversorgungselektronikuneingeschränkter Zugriff auf einzelne Pixelwindowingon-chip ADCkein blooming effecthoher Dynamikbereichstrahlungshärterer Elektronikbaustein

APS sind schlechter im Vergleich zur CCD:

fixed pattern noise höherQuanteneffektivität geringerteilweises Übersprechen

Motivation: APS vs CCD



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Erste Möglichkeit

advanced 3-transistor cell Technologie

angewandt bei Fillfactory Produkten

Zweite Möglichkeit

Thin-Film on CMOS (TFC) Technologie

entwickelt beim “Institut für Mikroelek-tronik Stuttgart” (IMS-Chips)

hohes Ausleserauschenniedriges Produkt aus Füllfaktor und Quanteneffektivität

Bisher gab es mindestens zwei negative Gründe, APS nicht für „low light level“ Anwendungen einzusetzen:

Verbesserung der Sensitivität und des Rauschens



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Signalerzeugung


Bei TFC APS verdoppelt sich der Dunkelstrom erst alle 12K,bei Si APS oder CCD’s verdoppelt sich der Dunkelstrom bereits alle 7K.

Dunkelstrom vs. Temperatur

Das Detektionsprinzip beruht auf Integration: der Photostrom wird während der Zeit ti über einen Kondensator aufintegriert bis zur endgültigen Signalspannung.



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Was ist Thin Film on CMOS (TFC, Dünnfilm auf CMOS) Technologie?

konventionelle CMOS Techno-logie braucht den Pixelbereich nicht nur für die Photodioden, sondern auch (daneben) für die Ausleseelektronik.

TFC CMOS Technologie nutzt den Pixelbereich ausschließlich für die Photodioden, die Auslese-elektronik ist unter der Photodiode platziert.

CMOS Pixel

MUX Schaltung Fotodiode

TFC CMOS Pixel

Metallebenen

MUX Schaltung

a-Si:H Fotodiode

Metallebenen

Quelle: IMS Stuttgart



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Produkt aus Füllfaktor und Quanteneffektivität

örtliche Pixelempfindlichkeit einer

4-Phasen CCD Mikrolinsen CCD

örtliche Pixelempfindlichkeit eines TFC Pixels;

Füllfaktor = 100 %



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Verschluß

object moving direction object moving direction

synchronous vs. rolling shutter


Der TFC APS arbeitet mit einem ‘’synchronen” Verschluss, der die Öffnung des gesamten Pixelfeldes sicherstellt. Die Messungen z. B. von Stern-positionen während eines Zeitrahmens geschehen alle während desselben “Wimpernschlags”. Die Sternpositionen können daher direkt vom Mustererkennungs-Algorithmus weiterverarbeitet werden.

Bisherige APS haben einen „rollenden“ Verschluss: die Integrationszeit wird Zeile für Zeile weiter geschoben. Die Messungen von Sternpositionen wäh-rend eines Zeitrahmens geschehen während aufeinander folgender „Wimpernschläge“. Der entstandene Versatz der Sternpositionen muss anschließend wieder korrigiert werden.



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Strahlungshärte

Die Dünnfilmschicht enthält amorphes Silizium. Das bewirkt für die Photodioden eine extreme Strahlungshärte bei gleichzeitig hoher Quanteneffektivität

Die TFC Technologie ist kompatibel mit allen CMOS Technologien einschließlich aller strahlungshärtenden Prozesse

Die elektro-optischen Eigenschaften ändern sich erst ab 300 krad (zum Vergleich: CCDs bereits bei 10 krad)



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drastisch reduzierte Komplexität des DC/DC-Konverters

APS Chip braucht nur eine Versorgungsspannung

⇒ Reduzierung von Masse, Kosten und Volumen

ermöglicht Verkleinerung der optischen Apertur

hohes Produkt aus Pixel Füll-faktor und Quanteneffektivität

• ermöglicht die Identifikation und Zurückweisung von single-event-effects

• ermöglicht Reduzierung des Ausleserauschens durch Mittelung

mehrfache, nicht zerstörende Pixel Auslese

beseitigt die Nachteile des „rollenden Verschlusses“

synchronisierter Verschluss im vollen Feld

Detektoreigenschaften: herkömmliche APS vs TFC APS



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• nur digitale Signalschnittstellen• keine komplexe analoge Treiber- und

Ausleseelektronik⇒ direkte Verbindungen zur digitalen

Elektronik wie CPU, ASIC, FPGA (digitale Bildverarbeitung);

⇒ direkte Anbindung des APS Detektors an die Adressen- und Datenbusstruktur des digitalen Bildverarbeitungssystems

⇒ Potenzial für weitere Systemminiatu-risierungen

AD-Konverter ist auf dem Detektorchip platziert

Detektoreigenschaften: neue Features, abgeleitete Vorteile

TFC APS

Optical Head

CTRL

DATA Bus

Adress Bus



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45 e-rms50 … 120 e-

rms< 20 e-rmsDunkelstromrauschen

80 pA/cm2200 … 1000 pA/cm240 pA/cm2Dunkelstrom @20°C

alle 12K verdoppeltalle 7K verdoppeltalle 7K verdoppeltDunkelstrom vs T

< 150.000 e-< 150.000 e-15.000 … 1M e-Full Well

< 0.1%< 18%bloomingÜbersprechen

450 … 750 nm450 … 950 nm450 … 1000 nmSpektralbereich

< 300 krad< 300 krad< 10 kradStrahlungsfestigkeit

80 e-rms40 … 120 e-

rms< 15 e-rmsAusleserauschen

TFC APSCMOS APSCCDParameter

Detektoreigenschaften

CCD versus konventionelle CMOS APS und TFC APS



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> 95%45%60% … 80%Füllfaktor

75%45%85%Peak Quanteneffektiv.

71%20%60%Füllfaktor x QE

non-destructivedestructivedestructiveAuslesen

µP-compatibleneeds sequenceranalogueSchnittstelle

on-chipon-chipnoADC

664 x 664*1k x 1kup to 4k x 4kArray Format

20µm x 20µm*122 µm2 … 252 µm24.52 µm2 … 242 µm2Pixel Größe

synchronousrollingsynchronousVerschluss

TFC APSCMOS APSCCDParameter

Detektoreigenschaften

CCD vs konventionelle CMOS APS und TFC APS

* aktuelles Design, kleinere Pixelgrößen möglich



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FillfactoryStar 250

Marconi 47-20Frame Transfer CCDMERIS

TFA TechnologieRockwell Science CentreHyViSI Chip



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GNC Sensors:Star- Tracker / Sensor / CameraSun SensorRendezvous sensor

Photogrammetry Applications:Landmark trackingSpace debris detection/trackingLaser pointing / trackingRobotics sensor camera

Observation:Earth observation cameraMonitoring & inspection camera

Spectroscopy:Spectrometer

Perspektiven der Anwendung



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-

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Dunkelstrom

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Übersprechen

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Füllfaktor

x QE

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Ausleserauschen

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Spektralbereich

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ND

Auslesen

+

+

+

+

+

+

+

sync Verschluss

Spektrometer

Monitoring & Inspektion

Erdbeobachtung

Robotik Sensor

Rendezvous Sensor

Laser Ausrichtung

Weltraummüll

Landmarken Tracking

Star/Sun Sensoren

Anwendungen

Legende:

+ vorteilhaft

Ο neutral

- nicht von Vorteil




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Auswertung der Tabelle

⇒ Sowohl CCDs als auch APS haben ihre Daseinsberechtigung

⇒ CCDs eignen sich besser als APS für Anwendungen, wo hohe spektrale Auflösungen verlangt werden

⇒ APS eignen sich besonders für Anwendungen, wo mit Pixelposi-tionen exakt geometrische Positionen gemessen werden sollen

⇒ Dominieren missionsbedingte Parameter wie geringes Gewicht, Abmessungen und Strahlungshärte, ist der APS konkurrenzlos besser und es müssen Abstriche hinsichtlich anderer Anforde-rungen in Kauf genommen werden



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astronomische Aufgabenstellungen

Perspektiven der Anwendung für TFC APS

4) als autonomer Sensor2) mit Baffle

3) als Star Tracker1) ohne Baffle

9 arcsec< 3 arcsec

pitch/yaw (3σ)Genauigkeit

< 4,5 W7,3 W 3)

10.0 W 4)

verbrauchLeistungs

∅ = 120 mmH = 230 mm

∅ = 192 mmH = 440 mm

sungenAbmes

< 1,5 kg 2)4,3 kg 1)

ichtGew

ASTRO 15 APS Star Tracker



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Optische Instrumente:

- Hyperspektrale Imager: airborne (NASA: AVIRIS, ESA Prodex: APEX), spaceborne (ESA: MERIS, SPECTRA VIS/NIR)

- Multispektrale Imager: EarthCare MSI, Metop-3 VIRI-M

Perspektiven der Anwendung für TFC APS

Langzeitmissionen:

- Sternsensoren für GeoTeleCom Sats mit Lebensdauern > 10 - 15 Jahren

- Sonnensensoren für GeoTeleCom Sats mit Lebensdauern > 10 - 15 Jahren

- Kameras für planetare Missionen mit langen Flugdauern

- Kameras für Missionen unter höherer Strahlungsbelastung



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Anwendung: Automotiv

Jena-Optronik hat für einen der führenden Automobilkonzerne ein Kamerasystem entwickelt und aufgebaut (CarVision Cam). Sein Sensor ist der Prototyp eines CMOS APS Detektor Chips von einer U.S. Forschungsgesellschaft.

Perspektiven der Anwendung für APS

Ziel: Fahrerunterstützung

⇒ Forderung nach hohem Dynamikbereich: >110 dB

⇒ arbeitet auch im Gegenlicht

⇒ Arbeitet bei Tunnelein- und ausfahrten



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Autor: Klaus Berndt

Firma: Jena-Optronik GmbHPrüssingstr. 4107745 Jena / Germany

Tel.: +49 3641 200 132Fax.: +49 3641 200 222e-mail: [email protected]

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