Halbleitertechnologien für neuartige Aufzugssensoren

3D-Lichtvorhänge haben ihre Grenzen, aber neuartige Halbleitertechnologien können diese Mängel ausgleichen.

von Beat De Coi und Felix Lustenberger
ESPOS Photonics Ltd., Schweiz

Dieses Papier wurde präsentiert bei ELEVCON Luzern 2010, International Congress on Vertical Transportation Technologies und erstmals im IAEE-Buch veröffentlicht Aufzugstechnologieund 18, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers IAEE (Website: www.elevcon.com). Dieser Artikel ist ein exakter Nachdruck und wurde nicht von ELEVATOR WORLD bearbeitet.

Schlüsselwörter: Sensoren, Sicherheit, Leistung, Schachtinformationen

ABSTRACT

Ab Ende der 80er Jahre eroberten optische Mehrstrahl-Sicherheitssensoren für den Türschutz den Großteil des Marktes. Somit kennt jeder in der Branche Lichtvorhänge. Vergleicht man jedoch die Sicherheit und den Komfort heutiger Sicherheitseinrichtungen mit denen von Produktionsmaschinen, liegt die Aufzugssicherheit weit zurück. Der entscheidende Punkt bei den Sicherheitssensoren für Aufzugstüren war die fehlende dreidimensionale Bereichserkennung. Ein erster Schritt wurde mit der Einführung von 3D-Lichtvorhängen gemacht. Aufgrund der unbefriedigenden Leistung dieser Geräte ist ein begrenzter Erfolg sichtbar. Neuartige Halbleitertechnologien ermöglichen es, diese Lücke zu schließen.

1. EINFÜHRUNG

In den letzten 5 Jahren sind CMOS-Bildsensoren (CIS) allgegenwärtig geworden: Mehr als eine Milliarde Handykameras und digitale Standbildkameras werden jedes Jahr mit einer immer noch dramatischen Wachstumsrate im zweistelligen Bereich produziert. Zumindest für Anwendungen im sichtbaren Bereich machen diese Kameraprodukte stetige technische Fortschritte. Typischerweise basieren die zur Implementierung dieser Art von Produkten verwendeten Halbleiterprozesse auf verbesserten Standard-CMOS-Prozessen, die entweder in der Speichertechnologie oder in Mixed-Signal-ASICs verwendet werden. Bei all diesen CMOS-Sensorelementen werden jedoch grundsätzlich die gleichen Einschränkungen beobachtet: Während ein nicht zu vernachlässigender Dunkelstrom den erreichbaren Dynamikbereich (DR) und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) begrenzt, sind relativ niedrige Quanteneffizienzen (QE) und optische Füllfaktoren (FF) beeinträchtigen zusätzlich die Fähigkeit, einzelne Photonen in hochintegrierten Imagersystemen zu detektieren. Obwohl diese Einschränkungen bei Consumer-Kameraprodukten ein Ärgernis sind, stellen sie grundlegende Einschränkungen bei leistungsstarken Industriesensoren und wissenschaftlichen Instrumenten dar. Dies liegt vor allem daran, dass diese Anwendungsgebiete stark von der Fähigkeit abhängen, Signale im nahen Infrarot (NIR) zu detektieren.

Aus vielen früheren Versuchen, das Verhalten von CIS-Technologien basierend auf traditionellen Ansätzen in der CMOS-Fertigung grundlegend zu ändern, wurde geschlossen, dass die Art und Weise der Herstellung von CMOS-Imagern drastisch geändert werden muss. Anstatt einen einfachen CMOS-Prozess zu verwenden und zu versuchen, Technologiemodule hinzuzufügen, die eine anständige Photosensierung im sichtbaren und NIR-Bereich ermöglichen, halten wir es für viel ratsamer, das Problem umgekehrt anzugehen: alles Notwendige tun, um das ultimative Ergebnis zu erzielen Photonenerkennungsleistung und fügen dann die Mittel einer CMOS-Prozesstechnologie hinzu, um die erforderliche Signalkonditionierung, Signalverarbeitung und Schnittstelle zu implementieren, um ein vollständiges Hochleistungs-Optosensorprodukt zu bilden. Obwohl viele der grundlegenden Konzepte zur Erreichung dieses Ziels schon seit geraumer Zeit existieren, wurden sie in Bezug auf den kommerziellen Wert und die Herstellung erst durch den Weg der modernen CMOS-Prozesstechnologie im tiefen Submikronbereich realisierbar. Espros Photonics Corp. (EPC) wurde Anfang 2007 gegründet, um einige dieser neuartigen Konzepte zu implementieren und zu realisieren, um eine radikal neue Technologieplattform in der CMOS-integrierten Photonik bereitzustellen. Fortsetzung

Dieser Beitrag ist wie folgt aufgebaut: Eine kurze Einführung in Marktbereiche und Geschäftspotenziale für hochintegrierte optische Systeme auf einem Chip (OSOCs) und optische Systeme-in-a-Paket (OSIPs) motiviert und geht der Präsentation des grundlegende technologische Anforderungen und grundlegende Ansätze zum Erreichen einer Einzelphotonen-Empfindlichkeit in der komplexen Opto-Erfassung von Abschnitt 3. Anschließend werden Ansätze zur Steigerung des Werts von OSOCs durch die Kombination traditioneller Verpackungsmethoden mit zusätzlichen photonischen Funktionen skizziert. In Abschnitt 5 geben wir dann praktische Beispiele für Produktklassen und deren Roadmap von diskreten Komponentenbaugruppen zu hochintegrierten OSIPs in naher Zukunft. Abschließend fassen wir diese Arbeit in Abschnitt 6 zusammen und schließen sie ab.

2. MARKTGEBIETE FÜR HOCHINTEGRIERTE PHOTONIK

Optische Sensoren schwirren in unserem täglichen Leben um uns herum, ohne dass sie ständig bemerkt werden. Dies liegt vor allem daran, dass diese Sensoren im nahen Infrarotbereich für das menschliche Auge unsichtbar arbeiten. Diese Sensorprodukte machen unser Leben in Aufzügen und öffentlichen Gebäuden, in Rauch- und Brandmeldern, an Schiebetüren und beweglichen Toren, im Umfeld gefährlicher Maschinen und Roboter sowie im öffentlichen Verkehr und im Gesundheitswesen sicher und komfortabel. Allen gemeinsam ist, dass sie nicht besichtigt werden müssen, um richtig zu funktionieren. Wenn Sie dann ein solches Produkt öffnen und genauer betrachten, stellen Sie sofort fest, dass die meisten dieser Produkte aus einer Vielzahl diskreter Komponenten bestehen. Während dies für einige Spezialprodukte mit geringen Stückzahlen durchaus sinnvoll sein kann, ist dies bei großvolumigen Produkten wie Lichtschranken oder Lichtvorhängen definitiv ein Problem. Abgesehen von den offensichtlichen Vorteilen in Bezug auf den Komponentenpreis und die geometrische Größe würden sie von höher integrierten optischen Sensorprodukten im Bereich der Produktzuverlässigkeit und Montagekomplexität und damit der Montagekosten stark profitieren. Obwohl die massive Ansammlung diskreter Komponenten von Natur aus eine hohe Flexibilität beim Produktdesign bietet, stellt jede Komponente einen nicht zu vernachlässigenden Montageaufwand in der Montagelinie für Oberflächenmontagegeräte (SMD) dar und kommt mit einer von Null verschiedenen Ausfallrate pro Pin, die wird auf die Leiterplatte (PCB) gelötet. Höhere Integrationsstufen greifen beide Elemente gleichzeitig auf.

Allerdings ist klar, dass die Chipintegration optischer Sensoren ihren Preis hat: Flexibilität geht teilweise verloren, wenn man nicht darauf achtet. Es wird sofort klar, dass Sie diesen Flexibilitätsverlust kompensieren müssen, indem Sie diesen optischen Sensorchips Konfigurierbarkeit und Programmierbarkeit hinzufügen. Dies ist zunächst einmal notwendig, um Fertigungsschwankungen des eigentlichen Sensorelements auszugleichen. Darüber hinaus ist aber auch die Programmierbarkeit entscheidend für eine flexible Signalverarbeitung, um anwendungsspezifische Systems-on-Chip (SOC) oder sogar Standard-Sensorprodukte zu erstellen. In der Vergangenheit wurde beobachtet, dass viele elektronische Schaltungen sehr erfolgreich waren, weil sie einen kundenspezifisch programmierbaren Signalaufbereitungs- und -verarbeitungsteil integriert hatten, der eine Verwendung dieser Schaltung weit über das hinaus ermöglicht, wofür sie ursprünglich gedacht war. Aber um erfolgreich zu sein, darf man nicht bei der Ausgabe von (vor-)verarbeiteten Informationen stehen bleiben und man muss sich Gedanken über die Anbindung an die Außenwelt machen. In vielen Anwendungen muss man Informationen von mehreren verschiedenen Sensoren an verschiedenen Orten und manchmal sogar von verschiedenen Signalarten aggregieren. Es wird extrem wichtig, die notwendigen Schnittstellen bereitzustellen, die eine einfache Handhabung bei gleichzeitig hoher Sicherheit der Datenübertragung in einer rauen Industrieumgebung bieten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt derartiger hochintegrierter optoelektronischer Chips ist das Packaging. Sie machen normalerweise einen beträchtlichen Teil der Gesamtproduktkosten aus. Bei Standard-Elektronikkomponenten hat es den einzigen Vorteil, die Schaltung vor Umwelteinflüssen zu schützen und für Standard-Bestückungsmethoden in elektronischen Fertigungsstraßen verfügbar zu machen. Bei optoelektronischen Sensoren kann dies ganz anders aussehen: Durch das Hinzufügen optischer Funktionen wie das Ausfiltern unerwünschter Komponenten des Lichtspektrums und das Hinzufügen einfacher oder komplexerer Strahlformungsfunktionen direkt in das Gehäuse kann man einen guten Mehrwert schaffen in das Paket, um die Gesamtsystemkosten zu senken. Es ist jedoch wichtig, dass mit solchen Elementen verpackte und verpackte Komponenten weiterhin maschinenlötbar sind. Andernfalls würde ein wesentlicher Vorteil verloren gehen und durch höhere manuelle Montagekosten ausgeglichen werden müssen.

Daher bildet die Kombination aus einem guten optischen Front-End mit flexibler Signalkonditionierung und vernünftigen Schnittstellen zu einer Vielzahl verschiedener Sensoren, verpackt in einem maschinenlötbaren Gehäuse, ein gutes optisches Sensorprodukt. Die traditionelle Halbleiterindustrie, die sich hauptsächlich auf großvolumige Mainstream-Produkte konzentriert, ist nicht daran interessiert, in Halbleiterprozesstechnologie zu investieren, die solche optosensorischen Produkte ermöglicht.
Auf dem gesamten jährlichen Halbleitermarkt, der bis 2008 300 Mrd. $ übersteigt, ist der geschätzte Markt für optosensorische Chipprodukte von 1-2 Mrd. $ einfach zu klein, um von einem großen Hersteller integrierter Bauelemente (IDM) berücksichtigt zu werden. Dies wird noch verstärkt durch die Tatsache, dass diese großen IDMs ihre Investitionen in Höhe von mehreren Milliarden Dollar, die sie in ihre tiefen Submikron-Fertigungsanlagen für Prozessknoten jenseits von 90 nm getätigt haben, amortisieren müssen. Mit dem richtigen Aufbau einer Technologieplattform wird sie jedoch auch bei der Vielfalt der zu bearbeitenden Produkte und Anwendungen attraktive Nischenmärkte darstellen. Aber es braucht eindeutig viel Flexibilität und Engagement für kleinere Kunden, um in diesem Marktbereich erfolgreich zu sein. Nicht nur der Herstellungsprozess, sondern auch alle Geschäftsprozesse müssen an diese nicht-traditionelle Umgebung angepasst werden.

3. TECHNOLOGISCHE ANFORDERUNGEN UND GRUNDSÄTZE

Moderne Halbleiterherstellungsverfahren für die CMOS-Technologie beruhen auf mehreren Schlüsselansätzen, um die Produktionsausbeute zu erhöhen. Leider erschweren diese Ansätze von Natur aus die Fähigkeit, gute Fotosensoren im nahen Infrarotbereich (NIR) zusammen mit CMOS-Elektronik auf demselben Chip zu integrieren. Das gravierendste Hindernis ist die Verwendung hoher Hintergrunddotierungsniveaus im Basis-Siliziumwafermaterial zusammen mit einer hohen Sauerstoffkonzentration. Um Lichtempfindlichkeits- und Rauschwerte auf dem neuesten Stand der Technik zu erreichen, müssen diese technologischen Einschränkungen überwunden werden. Darüber hinaus sind hochintegrierte Sensorprodukte auf eine Reihe zusätzlicher Funktionen angewiesen, die zusätzlich zu einer Standard-CMOS-Technologie erforderlich sind, um den Integrationsaufwand zu vervollständigen: Hochspannungstransistoren ermöglichen eine industrietaugliche Anbindung an die reale Welt der Anwendungen, während nichtflüchtige Speicher erforderlich sind, um Konfigurations- und Kalibrierdaten sicher auf dem Chip speichern.

3.1 Hohe Quanteneffizienz im NIR-Bereich

Die Absorptionslänge in Silizium um 850 nm bis 950 nm überschreitet 15 mm. Auf der anderen Seite skaliert die Übergangstiefe in CMOS-Prozesstechnologien, wobei der Prozessknoten bei modernen Deep-Submicron-Prozessen maximal 1 mm erreicht und damit unakzeptabel niedrige Quanteneffizienzen im NIR-Bereich. Die Verwendung einer dicken Epitaxieschicht oder die Verwendung von Konfigurationen durch das Substrat könnte diese Einschränkung überwinden; siehe Abbildung 1 für
ein Vergleich der beiden Fälle. Die zweite Einschränkung der Dicke der Verarmungszone im Übergang kommt jedoch von der Hintergrunddotierung des Waferbasismaterials. Bei normalem Czochralski (CZ)-Wafermaterial liegen die niedrigsten verfügbaren Dotierungsniveaus in der Größenordnung von 50 Ohm*cm. Dies begrenzt grundsätzlich die Übergangstiefe auf ungefähr 10 mm Maximum und damit die intrinsische Quanteneffizienz im 950 nm Wellenlängenbereich auf weniger als 50 %, typischerweise 10 %. Dies ist wiederum deutlich zu weit von der beobachteten Quanteneffizienz von mehr als 90% entfernt
in den heutigen kommerziellen diskreten PIN-Fotodioden. Daher sind Wafer mit hohem spezifischen Widerstand erforderlich, um eine anständige zu erreichen
Absorptionsvolumen für NIR-Strahlung.

3.2 Rauscharme Erkennung und extrem niedrige Dunkelströme

Eine weitere Grenze der klassischen CMOS-Substrate ist der Dunkelstrom in so dicken Übergängen, der für NIR . erforderlich ist
Erkennung. Dunkelstrom und das ihm zugeschriebene Schrotrauschen tragen direkt zur Gesamtrauschleistung in der Signalkette des Detektors bei und können durch klassische Rauschunterdrückungstechniken wie korrelierte Doppelabtastung (CDS) und Bandbreitenbegrenzung, die erforderlich sind, um die Einzelphotonenerkennung zu erreichen, nicht eliminiert werden Grenze. Der relativ hohe Sauerstoffgehalt in traditionellem CZ-Basismaterial wirkt als Getterplatz für Schwermetallionen, die selbst in den modernsten Einzelwafer-Verarbeitungsmaschinen unweigerlich auftreten. Möglichst sauber zu arbeiten, um eine Kontamination durch Schwermetallionen in der Produktionsanlage zu vermeiden, ist sicherlich ein guter Ansatzpunkt, reicht aber definitiv nicht aus, um ein gutes Dunkelstromverhalten sowie eine hohe Ausbeute in der Produktionslinie zu erhalten. Standard-CMOS-Wafer weisen Trägerlebensdauern in der Größenordnung von maximal mehreren 10ms auf, die zusammen mit einem 10mm dicken Übergang zu Dunkelströmen von mehreren 10nA/cm . führen². Andererseits zeigen diskrete Fotodioden Dunkelströme in
in der Größenordnung von 10pA/cm², also mindestens eine Größenordnung niedriger als bei Standard-CMOS-Wafern. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass wissenschaftliche CCD-basierte Imager, die auf hochohmigem Float-Zone (FZ)-Silizium aufgebaut sind, einen Sub-pA/cm .-Wert aufweisen² Dunkelstromverhalten bei Raumtemperatur. Daher scheint es eine vernünftige Annahme zu sein, dass Wafer mit hoher Trägerlebensdauer, die in einer sauberen Umgebung verarbeitet werden, um ihre hervorragenden Dunkelstromeigenschaften nicht zu verschlechtern, ein guter Ausgangspunkt für ultra-rauscharme Detektionssysteme im NIR-Spektralbereich sind. Ein sehr interessanter Nebeneffekt der Stromminimierung für NIR-Anwendungen besteht darin, dass eine solche Technologie von Natur aus eine Einzelphotonen-Detektion ermöglicht, wenn Übergänge im Lawinenmodus betrieben werden.

3.3 Hochspannungsschnittstellenfähiger CMOS-Prozessknoten

Bei der Kombination verschiedener Aspekte der Produktanforderungen hinsichtlich analoger sowie digitaler Fähigkeiten kommt es auf die Wahl eines technisch und wirtschaftlich ausgewogenen 130-nm-Prozessknotens an:
Die digitale Kernspannung von 1.8 V führt zu einem wettbewerbsfähigen Stromverbrauch für Mikrocontroller-Kerne mit geringer Komplexität wie die ARM7-Architektur. Die Speicherdichte in diesem Knoten beträgt 1.0 Mbit/mm² Reichweite und der logischen Dichte von 200kgates/mm² ist mit moderater DSP-Beschleunigerfunktionalität kompatibel, die für die digitale Signalverarbeitung erforderlich ist. Innerhalb des 130-nm-Knotens sind die meisten Hochfrequenz-(RF)-Funktionen für das wichtige 2.4-GHz-ISM-Band für die drahtlose Kommunikation, die in Bluetooth, Zigbee, GSM usw. verwendet wird, verfügbar, was eine einfache Integration der Funkschnittstellenelektronik ermöglicht. Das zweite Gate-Oxid für einen solchen Prozessknoten ist jedoch immer noch mit 3.3 V- und 5 V-Anwendungen kompatibel, wodurch die Komplikationen eines Dreifach-Gate-Oxid-Prozesses vermieden werden. Durch die Implementierung von Drain-Extended MOS (DEMOS)-Strukturen können IO-Spannungen bis zu 40 V realisiert werden, was die Realisierung verschiedenster Industriestandards ermöglicht.

3.4 Nichtflüchtiger Speicher

Um die Integrationsstrategie für einen NIR-Detektor mit hoher Quanteneffizienz und einem 130-nm-CMOS-Prozessknoten zu vervollständigen, ist eine nichtflüchtige Speicherlösung mit hoher Dichte erforderlich, um Konfigurations- und Kalibrierungsinformationen sicher im Detektorsystem zu speichern und eine einfache Anpassung des Sensors zu ermöglichen Anwendung auf Kundenbedürfnisse. Die bekannten Flash- und EEPROM-Speichertechnologien passen gut in einen 130-nm-Technologieknoten.

4. PHOTONIK-SYSTEMINTEGRATION

Der traditionelle Ansatz, unzählige diskrete elektronische Komponenten auf einer einzelnen PCB oder einem PCB-Stack zu montieren, hat die inhärente Einschränkung, dass jede einzelne Komponente verpackt werden muss und somit jedes Mal zum Gesamtpreis des Systems beiträgt. Je nach Art der Komponente können die Verpackungskosten mehr als 100 % der unverpackten Chip- oder Komponentenkosten ausmachen. Daher liegt in den einzeln verpackten Geräten ein enormes Kosteneinsparungspotential. Um auf dem weltweiten Markt der Optosensoren wettbewerbsfähig zu bleiben, besteht eine sofortige Lösung darin, die Montage- und Verpackungskosten auf ein Minimum zu reduzieren. Dies kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden: Einer davon ist das Streben nach Integrationsniveaus auf Package- oder sogar Chipebene, wie in Abbildung 2 gezeigt. Eine erste unmittelbare Maßnahme wird die Implementierung von photonischen Chips auf Package-Ebene sein. Sie setzen auf BGA-Gehäuse mit herkömmlichen Leiterplatten mit Lötkugeln. Standard-Bestückungsautomaten in SMD-Bestückungslinien können damit umgehen. Brennweiten von mehr als 10 mm sind möglich. Ein solches Paket wird etwa 20% beitragen
zum Chippreis, während die Produktionseinrichtungskosten noch angemessen sind. Daher ist es gut geeignet für kleine bis große Stückzahlen.

Abbildung 2 zeigt einen solchen optoelektronischen Chip, der mit herkömmlichen SMD-Maschinen und bleifreiem Löten auf eine Leiterplatte montiert wurde. Der Chip (auf dem Foto eingekreist) hat eine Größe von 0.86 x 1.16 mm und eine Dicke von 50 mm. Das Licht kommt von oben, während sich der aktive Teil der Elektronik auf der Unterseite des Chips befindet. Auch die Lötverbindungen zur Leiterplatte werden durch Stud Bumps in der Unterseite des Chips hergestellt. Damit wird ein Füllfaktor von 100 % erreicht, was bedeutet, dass die gesamte Chipfläche auf der Rückseite lichtempfindlich ist. Dieser Chip enthält ca. 150,000 Transistoren und bildet einen kompletten Sensorknoten eines Lichtvorhangs.

Wenn man auf höhere Stückzahlen oder kleinere Packungsgrößen abzielt, ist es unvermeidlich, sich für Chip-Scale-Packages zu entscheiden. Sie basieren auf der Fine-Line-PCB-Technologie und ermöglichen realitätsnah Brennweiten von bis zu 4 mm. In einem solchen Fall trägt das Paket nur ca. 5% auf den Chippreis. In beiden Fällen kann die obere Kappe des Gehäuses das optische Linsensystem zusammen mit optischen Filtern, Polarisatoren und anderen photonischen Komponenten enthalten, die in Kunststoffspritzguss- oder Reflow-Technologie hergestellt werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass ein vollwertiges OSIP auf Systemebene die Systemkosten halbiert: Die Anzahl der Komponenten kann um mehr als den Faktor 3 reduziert werden, während gleichzeitig eine Flächenreduzierung von 4 und eine Volumenreduzierung um a . erreicht werden Faktor 10. Diese Systeme können vollständig getestet an Kunden geliefert werden und werden aufgrund ihres äußerst interessanten Preis-Leistungs-Verhältnisses viele neue Sensormärkte erschließen.

5. PRAKTISCHE BEISPIELE

5.1 Intelligente Fotodioden-Empfänger

Einstrahl- und Mehrstrahl-Lichtschranken sowie Lichtvorhänge sind eine Klasse industrieller Optosensoren, die in Stückzahlen von über zweistelligen Millionen Stück pro Jahr produziert werden. Während die Lichtschrankenprodukte unter dem Mangel an hochintegrierten Photodetektoren meist aufgrund eines begrenzten Miniaturisierungsgrades leiden, besteht bei Lichtvorhängen ein deutlicher Engpass in der Wirtschaftlichkeit. Um dieses Problem zu verstehen, müssen wir uns genauer anschauen, wie Lichtvorhänge heute gebaut und betrieben werden: Lichtvorhänge bestehen aus mehreren identischen Paaren von Sendern (LEDs) und Empfängern (PIN-Photodiode plus Elektronik), die in zwei Aluminium oder Kunststoffprofile wie in Abbildung 3 gezeigt. Um die Verdrahtung innerhalb der profilierten Kanten zu minimieren, befinden sich die Sende- und Empfangselemente in XY-Matrix-Anordnung und werden durch eine entsprechende Abtastung der Matrixverdrahtung einzeln adressiert. Ein interner oder externer Controller sorgt für das erforderliche Timing des Lichtvorhangs. Jedes Empfängerelement des Lichtvorhangs wird erst kurz vor dem erwarteten Eintreffen des Lichtimpulses eingeschaltet. Um Sicherheitsanwendungen gerecht zu werden, muss der Scanvorgang des Lichtvorhangs extrem schnell sein, was sich sofort in einem sehr schnellen Einschaltverhalten der aus diskreten SMD-Komponenten aufgebauten Empfängerknoten niederschlägt. Der im letzten Jahrzehnt auf dem Lichtgittermarkt zu beobachtende Preisverfall macht es jedoch grundsätzlich unmöglich, den traditionellen Weg fortzusetzen und in diesem Produktsegment nach neuen Architekturen zu fragen.

Höhere Integrationsstufen der einzelnen Empfängerelemente adressieren das Dilemma aus verschiedenen Angriffswinkeln: Ein vollintegriertes optisches Frontend mit leistungsstarker Signalkonditionierung, On-Chip-Signal- und Informationsverarbeitung zusammen mit robusten Schnittstellen reduziert die Komponentenanzahl und reduziert damit die Bauteil- und Montagekosten bei gleichzeitiger Erhöhung der technischen Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Abbildung 4 zeigt das Konzept des ersten Schritts zu einem vollintegrierten, intelligenten NIR-Empfänger-/Sender-Chip, der das Herzstück zukünftiger Lichtvorhänge sowie Einstrahl- oder Gabellichtschranken sein wird.

Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, wird die Kommunikation zwischen den Sensorelementen über eine Zweidraht-Stromleitungsschnittstelle abgewickelt, die auf die Zeit- und Sicherheitsanforderungen solcher Optosensoren zugeschnitten ist. Abbildung 5 zeigt die einzelnen Blöcke innerhalb der intelligenten NIR-Empfänger-/Sender-Chips. In einem nächsten Schritt werden die externen Photodioden durch On-Chip-Photodioden ersetzt, um die optische Empfindlichkeit weiter zu erhöhen und die Anzahl und Kosten der Bauteile zu reduzieren. Es ist absehbar, dass in Zukunft auch gehäuste Sensorknoten verfügbar sein werden, die direkt auf die Twisted-Pair-Stromversorgungsleitungen gecrimpt werden.

5.2 3D-TOF-Kameras

Die Produktklassen, die im vorherigen Unterabschnitt besprochen wurden, waren entweder punktbasiert (Einstrahl-Lichtschranken) oder arbeiten auf einer Ebene (Lichtvorhänge). Die realen Umgebungen der heutigen Produktionsstätten sowie der Bedarf an Sicherheit und Komfort in Wohngebäuden und öffentlichen Bereichen erfordern jedoch viel komplexere Entscheidungsprozesse aus 3D-Informationen. Es ist seit den Anfängen der Bildverarbeitung bekannt, dass es äußerst schwierig ist, aus 3D-Farb- oder Graustufenbildern eine 2D-Umgebung zu „erraten“. Früher versagt jeder Algorithmus, der entwickelt wurde, um 3D-Informationen aus 2D-Bildern zu extrahieren, aufgrund des Fehlens einer echten Messung der Zielentfernung. Heutzutage existieren jedoch viele Ansätze, um 3D-Karten durch verschiedene Ansätze direkt zu messen. Unter ihnen ist der 3D-Flugzeitansatz (3D-TOF) sehr beliebt, der direkt oder indirekt die Flugzeit einzelner Photonen misst. Leider sind Geräte, die Photonenflugzeiten messen können, entweder mechanisch komplex wie Laserscanner [2] oder sie benötigen aufgrund des Fehlens hochempfindlicher Photonenempfänger im NIR-Bereich enorme Mengen an aktiver Beleuchtung [3, 4, 5]. Beide Fälle führen zu ziemlich sperrigen Geräten und hohen Preisen, was ihre Anwendbarkeit in Massenmarktanwendungen wie Sicherheitsvorrichtungen für Automobile, Mensch-Maschine-Schnittstellen für Computer und Spiele, Türen und Tore, Maschinensicherheit, Domotik und viele andere verringert. Hochintegrierte 3D-TOF-Kameras mit einer vernünftigen Bildauflösung, sowohl seitlich als auch abstandsmäßig, gepaart mit On-Chip-Signal- und Informationsverarbeitung, werden vergleichbare Anwendungsfelder wie bisher Webcams eröffnen. Solange der knifflige Teil der Messung der Photonenflugzeit vom Anwender abgeschirmt wird und ihm nur eine externe Schnittstelle wie ein Mikrocontroller präsentiert wird, können sie sich voll und ganz auf die Anwendung selbst statt auf knifflige physikalische Messaufgaben konzentrieren.

6. SCHLUSSFOLGERUNGEN

In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass radikal neue Ansätze erforderlich sind, um hochintegrierte photonische Detektionssysteme zu implementieren, die im NIR-Spektralbereich empfindlich sind. Die Grundbausteine ​​gibt es schon seit geraumer Zeit einzeln, wurden aber meist aus wirtschaftlichen Gründen von traditionellen Halbleiterherstellern von Standardelektronikgeräten nie zusammen integriert. Es hat sich außerdem gezeigt, dass der bestehende Markt für solche integrierten OSOCs und OSIPs groß genug ist, um die Implementierung einer dedizierten Wafer-Fabrik in diesem Bereich zu rechtfertigen. Es ist absehbar, dass in den nächsten Jahren viele der im Alltag vorhandenen, aber meist nicht beachteten High-Volume-Produkte von den traditionellen diskreten Bestückungstechnologien von SMD-Bauelementen auf einer Leiterplatte in höhere Integrationsstufen migriert werden. Dies wurde am Beispiel intelligenter Fotodioden-Empfänger sowie kostengünstiger 3D-TOF-Kameras veranschaulicht.

REFERENZEN

CEDES AG, https://www.cedes.com

ESPROS Photonics AG, https://www.espros.ch

Sick AG, https://www.sick.com

Mesa Imaging AG, https://www.mesa-imaging.ch

PMD Technologies, https://www.pmdtec.com

Canesta, https://www.canesta.com