Integration von Fotosensoren und Signalverarbeitung

Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS

Integration von Fotosensoren und Signalverarbeitung

In einem Standard-CMOS-Prozess gibt es in der Regel verschiedene pn-Übergänge, die als Fotosensoren genutzt werden können. Eine Integration zusammen mit der Signalverarbeitung bietet dann ein sehr hohes Maß an Störunempfindlichkeit. Die analogen Sensorsignale/Fotoströme können zunächst verstärkt und dann in ein digitales Signal umgewandelt werden, das dann nach außen gegeben wird.

Eigenschaften

  • Wellenlängenbereich für optische Sensoren: 400 nm - 1100 nm
  • Kostengünstiger Standard-CMOS-Prozess
  • Hoher Dynamik-Bereich: 107
  • On-Chip Integration von analoger und digitaler Signalverarbeitung
  • Verfügbarkeit von Standardzellen-Bibliotheken für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten

Anwendungsmöglichkeiten

Die oben beschriebenen eingebetteten Fotosensoren sind im Messtechnikbereich vielfältig einsetzbar, hier ein Beispiel:

Lichtstärken-Messung mit digitaler Schnittstelle

Bei vielen Anwendungen wird eine leicht zu bedienende Schnittstelle gewünscht, die das Sensorsignal zu dem Anschlussgerät überträgt. Daher entwickelten wir ein Sensor-Frontend, bei dem ein Kondensator durch den Fotostrom einer Fotodiode entladen und über einen Schmitt-Trigger wieder aufgeladen wird. Dadurch ist die Ausgangs-Frequenz des Schmitt-Triggers ein Maß für die Lichtstärke. Mit zusätzlichen on-chip Zählerschaltungen kann ein digitaler Wert ermittelt und über eine serielle Schnittstelle an einen externen Mikroprozessor weitergegeben werden.

Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und Dynamik

Um eine niedrige Nachweisgrenze zu erhalten, benutzen wir Dunkelstrom-Kompensation, indem wir eine Fotodiode mit Metallabdeckung nahe dem tatsächlichen Detektor platzieren und ihre Ströme subtrahieren.

In einer speziellen Anwendung konnte eine Empfindlichkeit von 1 pW optischer Leistung und ein Dynamikbereich von mehr als 107erreicht werden. Für die Implementierung wurde eine 0,6 µm CMOS-Technologie verwendet.

On-chip Signalverarbeitung

Die Bausteine werden mit kommerziell verfügbaren Standard CMOS-Prozessen hergestellt. Dies garantiert eine kostengünstige Produktion ohne zusätzliche Prozessschritte und eine hohe Reproduzierbarkeit der integrierten Sensoren. Weiterhin wird dadurch die On-Chip Integration von analoger und digitaler Nachbearbeitung des aufgezeichneten Signals möglich. Beispiele für integrierbare Signalverarbeitungsblöcke sind Vorverstärker, Filter, Analog-Digital-Wandler und die Bereitstellung serieller und paralleler Schnittstellen. Für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten können Designs von Standardzellen-Bibliotheken des Fraunhofer IIS abgeleitet werden.