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Claus Baumgartner
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1 Active Pixel Sensoren 2. Raumfahrt Technologietage DLR, Köln Porz 4. und 5. November 2003 Titel insensoren Arial 36pt. Active Pixel Fett Untertitel in 32pt. Fett Motivation Herstellungstechnologien Detektoreigenschaften Parametervergleich Perspektiven der Anwendung Seite 1

2 Präsentationsfahrplan Active Pixel Sensoren Herstellungstechnologien der TFC APS gegen - CMOS APS und - CCD Anwendungsmatrix die Stärken des TFC APS richtig ausgenutzt APS? versus? CCD APS ist nicht gleich APS Seite 2

und - CCD Anwendungsmatrix die Stärken des TFC APS

3 Motivation: APS vs CCD Active Pixel Sensoren APS sind besser im Vergleich zur CCD: einfachere Stromversorgungselektronik uneingeschränkter Zugriff auf einzelne Pixel windowing on-chip ADC kein blooming effect hoher Dynamikbereich strahlungshärterer Elektronikbaustein APS sind schlechter im Vergleich zur CCD: fixed pattern noise höher Quanteneffektivität geringer teilweises Übersprechen Seite 3

blooming effect hoher Dynamikbereich strahlungshärterer Elektronikbaustein APS sind schlechter im

4 Herstellungstechnologien Active Pixel Sensoren Bisher gab es mindestens zwei negative Gründe, APS nicht für low light level Anwendungen einzusetzen: hohes Ausleserauschen niedriges Produkt aus Füllfaktor und Quanteneffektivität Erste Möglichkeit advanced 3-transistor cell Technologie angewandt bei Fillfactory Produkten Zweite Möglichkeit Thin-Film on CMOS (TFC) Technologie entwickelt beim Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS-Chips) Verbesserung der Sensitivität und des Rauschens Seite 4

advanced 3-transistor cell Technologie angewandt bei Fillfactory Produkten Zweite Möglichkeit Thin-Film on CMOS (TFC)

Herstellungstechnologien Signalerzeugung Das Detektionsprinzip beruht auf Integration: der Photostrom wird während der Zeit t i über einen Kondensator aufintegriert bis zur

5 Herstellungstechnologien Signalerzeugung Das Detektionsprinzip beruht auf Integration: der Photostrom wird während der Zeit t i über einen Kondensator aufintegriert bis zur endgültigen Signalspannung. Dunkelstrom vs. Temperatur Bei TFC APS verdoppelt sich der Dunkelstrom erst alle 12K, bei Si APS oder CCD s verdoppelt sich der Dunkelstrom bereits alle 7K. Seite 5

endgültigen Signalspannung. Dunkelstrom vs.

6 Herstellungstechnologien Was ist Thin Film on CMOS (TFC, Dünnfilm auf CMOS) Technologie? a-si:h Fotodiode Metallebenen Metallebenen MUX Schaltung Fotodiode MUX Schaltung Quelle: IMS Stuttgart CMOS Pixel konventionelle CMOS Technologie braucht den Pixelbereich nicht nur für die Photodioden, sondern auch (daneben) für die Ausleseelektronik. TFC CMOS Pixel TFC CMOS Technologie nutzt den Pixelbereich ausschließlich für die Photodioden, die Ausleseelektronik ist unter der Photodiode platziert. Seite 6

konventionelle CMOS Technologie braucht den Pixelbereich nicht nur für die Photodioden, sondern auch (daneben) für die

7 Herstellungstechnologien Active Pixel Sensoren Produkt aus Füllfaktor und Quanteneffektivität örtliche Pixelempfindlichkeit einer 4-Phasen CCD Mikrolinsen CCD örtliche Pixelempfindlichkeit eines TFC Pixels; Füllfaktor = 100 % Seite 7

Pixelempfindlichkeit einer 4-Phasen CCD Mikrolinsen CCD

8 Herstellungstechnologien 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 Sternpositionen 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 während eines Zeitrahmens geschehen während aufeinander folgender Wimpernschläge. Der entstandene Versatz der Sternpositionen muss anschließend wieder korrigiert werden. Seite 8

von Sternpositionen während eines Zeitrahmens geschehen alle während desselben Wimpernschlags.

9 Herstellungstechnologien Active Pixel Sensoren 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) Seite 9

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

10 Detektoreigenschaften: herkömmliche APS vs TFC APS synchronisierter Verschluss im vollen Feld mehrfache, nicht zerstörende Pixel Auslese beseitigt die Nachteile des rollenden Verschlusses ermöglicht Reduzierung des Ausleserauschens durch Mittelung ermöglicht die Identifikation und Zurückweisung von single-event-effects hohes Produkt aus Pixel Füllfaktor und Quanteneffektivität ermöglicht Verkleinerung der optischen Apertur Reduzierung von Masse, Kosten und Volumen APS Chip braucht nur eine Versorgungsspannung drastisch reduzierte Komplexität des DC/DC-Konverters Seite 10

Zurückweisung von single-event-effects hohes Produkt aus Pixel Füllfaktor und Quanteneffektivität ermöglicht Verkleinerung der optischen Apertur

11 Detektoreigenschaften: neue Features, abgeleitete Vorteile AD-Konverter ist auf dem Detektorchip platziert Optical Head TFC APS CTRL DATA Bus Adress Bus 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 Systemminiaturisierungen Seite 11

Verbindungen zur digitalen Elektronik wie CPU, ASIC, FPGA (digitale Bildverarbeitung); direkte Anbindung des APS Detektors an

12 Detektoreigenschaften CCD versus konventionelle CMOS APS und TFC APS Parameter CCD CMOS APS TFC APS Ausleserauschen < 15 e - rms e - rms 80 e - rms C 40 pa/cm pa/cm 2 80 pa/cm 2 Dunkelstromrauschen < 20 e - rms e - rms 45 e - rms Dunkelstrom vs T alle 7K verdoppelt alle 7K verdoppelt alle 12K verdoppelt Full Well M e - < e - < e - Übersprechen blooming < 18% < 0.1% Spektralbereich nm nm nm Strahlungsfestigkeit < 10 krad < 300 krad < 300 krad Seite 12

Dunkelstrom vs T alle 7K verdoppelt alle 7K verdoppelt alle 12K verdoppelt Full Well 15.000 1M e - < 150.000 e - < 150.

13 Detektoreigenschaften CCD vs konventionelle CMOS APS und TFC APS Parameter CCD CMOS APS TFC APS Verschluss synchronous rolling synchronous Füllfaktor 60% 80% 45% > 95% Peak Quanteneffektiv. 85% 45% 75% Füllfaktor x QE 60% 20% 71% Auslesen destructive destructive non-destructive Schnittstelle analogue needs sequencer µp-compatible ADC no on-chip on-chip Array Format up to 4k x 4k 1k x 1k 664 x 664* Pixel Größe µm µm µm µm 2 20µm x 20µm* * aktuelles Design, kleinere Pixelgrößen möglich Seite 13

85% 45% 75% Füllfaktor x QE 60% 20% 71% Auslesen destructive destructive non-destructive Schnittstelle analogue needs sequencer

Frame Transfer CCD MERIS Marconi 47-20 Fillfactory Star 250

14 Frame Transfer CCD MERIS Marconi Fillfactory Star 250 Rockwell Science Centre HyViSI Chip TFA Technologie Seite 14

15 Perspektiven der Anwendung GNC Sensors: Star- Tracker / Sensor / Camera Sun Sensor Rendezvous sensor Photogrammetry Applications: Landmark tracking Space debris detection/tracking Laser pointing / tracking Robotics sensor camera Observation: Earth observation camera Monitoring & inspection camera Spectroscopy: Spectrometer Seite 15

detection/tracking Laser pointing / tracking Robotics sensor camera Observation:

16 Perspektiven der Anwendung Anwendungen Füllfaktor x QE Übersprechen sync Verschluss ND Auslesen Dunkelstrom Ausleserauschen Spektralbereich Star/Sun Sensoren Legende: Landmarken Tracking vorteilhaft Weltraummüll Ο neutral Laser Ausrichtung - nicht von Vorteil Rendezvous Sensor Robotik Sensor Erdbeobachtung - - Monitoring & Inspektion - Spektrometer Seite 16

Tracking vorteilhaft Weltraummüll Ο neutral Laser Ausrichtung - nicht von Vorteil

17 Perspektiven der Anwendung 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 Pixelpositionen 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 Anforderungen in Kauf genommen werden Seite 17

exakt geometrische Positionen gemessen werden sollen Dominieren missionsbedingte Parameter wie geringes Gewicht, Abmessungen und

18 Perspektiven der Anwendung für TFC APS astronomische Aufgabenstellungen Gewicht 4,3 kg 1) < 1,5 kg 2) Abmessungen = 192 mm H = 440 mm = 120 mm H = 230 mm Leistungsverbrauch 7,3 W 3) 10.0 W 4) < 4,5 W ASTRO 15 Genauigkeit < 3 arcsec pitch/yaw (3σ) 9 arcsec APS Star Tracker 1) ohne Baffle 2) mit Baffle 3) als Star Tracker 4) als autonomer Sensor Seite 18

19 Perspektiven der Anwendung für TFC APS Langzeitmissionen: - Sternsensoren für GeoTeleCom Sats mit Lebensdauern > Jahren - Sonnensensoren für GeoTeleCom Sats mit Lebensdauern > Jahren - Kameras für planetare Missionen mit langen Flugdauern - Kameras für Missionen unter höherer Strahlungsbelastung Optische Instrumente: - Hyperspektrale Imager: airborne (NASA: AVIRIS, ESA Prodex: APEX), spaceborne (ESA: MERIS, SPECTRA VIS/NIR) - Multispektrale Imager: EarthCare MSI, Metop-3 VIRI-M Seite 19

- Kameras für Missionen unter höherer Strahlungsbelastung Optische Instrumente: - Hyperspektrale Imager: airborne (NASA:

Perspektiven der Anwendung für APS Anwendung: Automotiv Jena-Optronik hat für einen der führenden Automobilkonzerne ein Kamerasystem entwickelt und aufgebaut (CarVision Cam).

20 Perspektiven der Anwendung für APS 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. Ziel: Fahrerunterstützung Forderung nach hohem Dynamikbereich: >110 db arbeitet auch im Gegenlicht Arbeitet bei Tunnelein- und ausfahrten Seite 20

Sein Sensor ist der Prototyp eines CMOS APS Detektor Chips von einer U.S. Forschungsgesellschaft.

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontaktadresse: Autor: Firma: Klaus Berndt Jena-Optronik GmbH Prüssingstr Jena / Germany Tel.: Fax.: klaus.berndt@jena-optronik.de Seite 21

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