Schnelle Sensoren, kleine Pixel

Schnelle Sensoren, kleine Pixel

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 Fünf-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 8T-Pixels in drei funktionalen Schritten:

  • • Signal-Integration in der Photodiode,
  • • Zwischenspeicherung im Sensorkno ten und
  • • Auslesen der Werte für Reset und Be- lichtung 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-Gates 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.

Prototyp des Sensors

Der Bildaufnehmer mit 3,5µm Pixel-Raster arbeitet wie im Beispiel a in Bild 2 mit zwei Photodioden und zwei Ausleseschaltungen. Jedes Pixel braucht ein Transfer-Gatter, aber da die drei Transistoren des Zwischenspeichers gemeinsam genutzt werden, fällt nur die halbe Anzahl pro Pixel an, also 1,5 Transistoren. Dazu kommen vier Transistoren und zwei Kapazitäten in der Ausleseschaltung, die wieder separat anzulegen sind. Insgesamt entspricht dies also 6,5 Transistoren pro Pixel. Im Betrieb wird, wie in Bild 1 beschrieben, zuerst die Ladung von Pixel 1 gelesen und zur Ausleseschaltung 1 geführt. Anschließend wird Pixel 2 auf die gleiche Weise behandelt. Bezogen auf die Geometrie eines Bildsensors teilen sich zwei nebeneinander liegende Photodioden einen Sensorknoten. Aus diesem Grunde kann nicht einfach zeilenweise ausgelesen werden, sondern versetzt. Dies geschieht, indem die Select-Leitungen einen Pixel links vom gemeinsam genutzten Sensorknoten und einen diagonal gegenüberliegenden Pixel rechts vom Sensorknoten gleichzeitig adressieren zeigen. Leseleitungen führen die Signale der links vom gemeinsam genutzten FD liegenden Pixel auf die unteren Spaltenverstärker und die der rechts davon liegenden auf die oberen Spaltenverstärker. Diese diagonal organisierte Mehrfachnutzung der Leseleitungen ermöglicht die Verdopplung der Bildrate, indem der gemeinsam genutzte Sensorknoten über beide Photodioden geladen wird. Dieses Zusammenführen der Ladungen mehrerer Photodioden wird auch Binning, in diesem Fall horizontales Binning, genannt. Die sequenzielle Nutzung des Sensorknotens erzeugt einen geringen Unterschied der Abtastzeitpunkte für die beiden am gleichen Knoten angeschlossenen Pixel: Bei kleinen Bildsensoren unterscheiden sie sich nur um einige Mikrosekunden. Bei sehr hoch auflösenden Detektoren kann dieser Unterschied bereits 20µs ausmachen. Für Anwendungen in der Medizintechnik dürfte dies kein Problem sein. Allerdings gibt es Unterschiede zwischen monochromen und Farbsensoren. Im Monochrom-Betrieb unterscheiden sich die Abtastzeitpunkte der geraden und ungeraden Spalten. Die Farbversionen sind so optimiert, dass die Verschiebung zwischen benachbarten Spaltenpaaren auftritt. Das ermöglicht die simultane Erfassung einer kompletten Bayer-Matrix, was Farbsäume an bewegten Objekten verhindert. Zur bestmöglichen Nutzung der verfügbaren Fläche für Sensorelemente, Auswerte-Elektronik und Verdrahtung sind die Photodioden in horizontaler Richtung leicht ungleichmäßig verteilt.

Fazit

Durch gemeinsame Nutzung bestimmter Transistoren in der Pixel-Elektronik lässt sich ein CMOS-Bildaufnehmer mit Globalverschluss im Pipeline-Betrieb mit korrelierter Doppelabtastung realisieren, dessen Pixel-Raster lediglich 3,5µm beträgt. Sein Dynamikbereich erreicht dennoch 58,5dB bei einer Verschluss-Effizienz von über 99,98%. Das schafft gute Voraussetzungen zur weiteren Verbreitung miniaturisierter Bildaufnehmer für anspruchsvolle Aufgaben in der endoskopischen Medizintechnik und anderen Bereichen, in denen große Bilddatenmengen unter sehr beengten räumlichen Verhältnissen erfasst und verarbeitet werden müssen.

Thematik: Allgemein
CMOSIS bvba
www.chromasens.de

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