Global-Shutter CMOS mit korrelierter Doppelabtastung und 3,5µm Pixel-Raster
Der im Folgenden beschriebene rauscharme CMOS-Bildsensor mit Global Shutter für anspruchsvolle industrielle Anwendungen bietet ein Pixelraster von 3,5µm. Die hohe Auflösung bei kleinen Abmessungen gelingt durch das Prinzip der korrelierten Doppelabtastung mit gemeinsamer Nutzung bestimmter Transistoren der komplexen Acht-Transistor-Architektur.
Der belgische Sensor-Spezialist CMOSIS hat sich seit Jahren als Entwicklungspionier von schnellen CMOS-Bildaufnehmern mit Globalverschluss und Pixelrastern bis herab zu 5,5µm auf dem Weltmarkt profiliert. Die CMOS-Sensoren werden in einer 0,18µm CIS (CMOS Image Sensor) Technologie gefertigt und basieren auf einer Pixel-Architektur mit acht Transistoren. Sie realisiert eine Kombination aus Global Shutter im Pipeline-Betrieb (während des Auslesens erfolgt schon die nächste Belichtung) und korrelierter Doppelabtastung (Correlated Double Sampling, CDS). Neben niedrigeren Rauschwerten gegenüber den üblichen 5-Transistor-Zellen ermöglicht der 8T-Pixel einen besseren Verschlusswirkungsgrad und rückseitige Belichtung. Die Bildsignale werden nach der Belichtung nicht als Ladungs-, sondern als Spannungswerte gespeichert. Die Verkleinerung der Pixel auf 3,5µm gelingt durch zwei architektonische Kniffe: geteilte Nutzung bestimmter Transistoren und durch den Übergang auf eine neue Prozesstechnik von ST Microelectronics, die ursprünglich für 1,75µm-Pixel für Schlitzverschlüsse entwickelt wurde. Im Frontend werden Strukturbreiten von 110nm verwendet, im Cu-Backend wurden 90nm breite Strukturen mit nur zwei Metallisierungslagen gewählt.
8T-Konfiguration und Doppelabtastung
Bild 1 zeigt die Signalverarbeitung des 8-T-Pixels in drei funktionalen Schritten:
– Signal-Integration in der Photodiode,
– Zwischenspeicherung im Sensorknoten und
– Auslesen der Werte für Reset und Belichtung an CS1 und CS2.
Die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungen werden in der Photodiode aufsummiert und von einem Transfergatter zum Sensorknoten FD (floating diffusion) übertragen. Er besteht aus einer Sperrschicht, die eine kleine Kapazität CFD darstellt und die Photoladung in ein Spannungssignal umwandelt. Nach der Belichtung wird die Spannung an dieser Kapazität durch einen als Impulsfolge am Reset-Transistor anliegenden Reset-Pegel definiert und gesetzt .Sie gelangt über den Source-Folger des Zwischenspeichers sowie die beiden geöffneten Schalter Sample 1 und Sample 2 an CS2, als Bezugswert des Reset-Pegels von CFD. Anschließend werden die integrierten Photoladungen über das Transfer-Gatter zum Sensorknoten FD übertragen, dessen Spannungswert proportional zur Größe der Photoladungen fällt. Über den Source-Folger des Zwischenspeichers und den geöffneten Schalter Sample 1 gelangt diese Spannung an CS1. Daraufhin werden die Spannungen – zuerst von CS2 und dann von CS1 – ausgelesen. Im Sensor-Chip wird nun ihre Differenz gebildet. Dies erzeugt die oben erwähnte CDS. Sie eliminiert das Reset-Rauschen des Sensorknotens. Die In-Pixel Kondensatoren CS1 und CS2 sind kaum lichtempfindlich. Damit tragen sie zur sehr hohen Verschluss-Effizienz bei.
Zwischenspeicherung
Die Grundstruktur der 8T-Zelle lässt sich in Richtung der drei Teilfunktionen nach Bild 1 – Integration, Zwischenspeicherung und Auslesen der beiden Werte für Reset und Belichtung – weiter entwickeln. Für kleine Pixel hat die Ladungswandlung Priorität, weil sie mit geringem Verdrahtungsaufwand mehrere Pixel bedient. Das führt zu einer Struktur nach Bild 2 mit gemeinsamem Zwischenspeicher mit Sensorknoten aus Bild 1. Dazu einige Varianten:
– (a) Zwei Photodioden teilen sich einen Sensorknoten, um ihre Ladungen nacheinander zu transferieren. Dies spart den Aufwand für einen zweiten Ladungswandler mit seinen drei Transistoren.
– (b) Erweiterung des Dynamikbereichs: Die linke Photodiode erfasst mit ihrer großen Fläche H vor allem dunkle Bildbereiche, die rechte mit kleinerer Pixelgröße L helle Partien. Beide teilen sich denselben Sensorknoten; dies reduziert den Schaltungsaufwand. Das durch die Pixelgeometrie festgelegte Empfindlichkeitsverhältnis lässt sich durch unterschiedliche Belichtungszeiten modifizieren. Mit einem solchen Dual-Gain-Pixel hat die Photodiode zwei Transfer-Gates: eines mit hoher Verstärkung und niedriger Kapazität, das andere mit geringer Verstärkung und hoher Kapazität.
– (c) Farbsensor mit modifizierter Bayer-Matrix: Jeder Pixel besteht aus einer roten (R) und einer blauen (B) Sensorfläche mit jeweils mittleren Belichtungszeiten, sowie einer grünen Gs (green short) mit kurzer Belichtungszeit und einer grünen Gl (green long) mit langer Belichtungszeit. Dieser Multiplex-Betrieb über die Ansteuerung des Transfer-Gate lässt sich jedoch nicht beliebig erweitern, da die Kapazität von FD mit jedem zusätzlichen Anschluss wächst.
An den Ausgang des Zwischenspeichers lassen sich mehrere Ausleseschaltungen anschließen, die ihre Werte auf eine oder mehrere Ausgangsleitungen verteilen können. Dies erhöht die Bandbreite.
