新型电梯传感器的半导体技术

3D 光幕有其局限性，但新的半导体技术可能会弥补这些缺点。

Beat De Coi 和 Felix Lustenberger
ESPROS Photonics Ltd.，瑞士

该论文发表于 ELEVCON Lucerne 2010，垂直运输技术国际大会，首次发表于 IAEE 书籍 电梯技术和18 由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会 IAEE 许可转载（网址： www.elevcon.com)。本文为准确重印，未经 ELEVATOR WORLD 编辑。

关键词：传感器、安全、性能、提升方式信息

摘要

从 80 年代后期开始，用于门保护的光学多光束安全传感器占据了大部分市场。 因此，行业中的每个人都熟悉光幕。 然而，将当今安全设备的安全性和舒适性与生产机器的安全性和舒适性进行比较，电梯的安全性远远落后。 电梯门安全传感器的关键在于缺乏三维区域识别。 第一步是引入 3D 光幕。 由于这些设备的性能不尽如人意，因此只能看到有限的成功。 新型半导体技术可以缩小这一差距。

1。 简介

在过去的 5 年里，CMOS 图像传感器 (CIS) 已经无处不在：每年生产超过 XNUMX 亿台手机相机和数码相机，并且还在两位数范围内以惊人的速度增长。至少对于可见光范围内的应用，这些相机产品在技术上取得了稳步进展。通常，用于实现此类产品的半导体工艺基于增强的标准 CMOS 工艺，用于存储技术或混合信号 ASIC。然而，在所有这些 CMOS 传感元件中基本上都观察到相同的限制：虽然不可忽略的暗电流限制了可实现的动态范围 (DR) 和信噪比 (SNR)，但相对较低的量子效率 (QE) 和光学填充因子 (FF) 还削弱了在高度集成的成像系统中检测单个光子的能力。尽管这些限制在消费类相机产品中是一种麻烦，但它们在高性能工业传感器和科学仪器中存在基本限制。这主要是因为这些应用领域严重依赖于检测近红外 (NIR) 范围内的信号的能力。

从以往许多尝试从根本上改变基于 CMOS 制造中传统方法的 CIS 技术行为的尝试中得出的结论是，需要彻底改变生产 CMOS 成像器的方式。 与其采用基本的 CMOS 工艺并尝试添加能够在可见光和 NIR 范围内实现良好光感的技术模块，我们认为以相反的方式解决问题更为可取：尽一切可能实现终极目标光子探测性能再加入CMOS工艺技术的手段，实现必要的信号调理、信号处理和接口，形成完整的高性能光传感器产品。 尽管实现这一目标的许多基本概念已经存在了很长一段时间，但它们只有通过现代深亚微米 CMOS 工艺技术在商业价值和制造方面才变得可行。 Espros Photonics Corp. (EPC) 成立于 2007 年初，旨在实施和实现其中的一些新概念，以便在 CMOS 集成光子学中提供全新的技术平台。 继续

本文结构如下：简要介绍高度集成的光学片上系统 (OSOC) 和光学系统级封装 (OSIP) 的市场领域和商业潜力，这将激发并先于介绍在第 3 节的复杂光传感中达到单光子灵敏度的基本技术要求和基本方法。然后，我们将概述通过将传统封装方法与附加光子学功能相结合来增加 OSOC 价值的方法途径。 然后在第 5 节中，我们给出了产品类别的实际示例以及它们在不久的将来从分立元件组装到高度集成的 OSIP 的路线图。 最后，我们在第 6 节总结并总结了这项工作。

2. 高度集成光子学的市场领域

光学传感器在我们的日常生活中蜂拥而至，却一直没有被注意到。 这主要是因为这些传感器在近红外范围内对人眼不可见。 这些传感器产品使我们在电梯和公共建筑、烟雾和火灾探测器、滑动门和移动大门、危险机械和机器人周围以及公共交通和医疗保健中的生活安全舒适。 它们都有一个共同点，即它们不需要被看到就可以正常运行。 如果您随后打开此类产品并仔细查看，您会立即注意到这些产品中的大多数都是由大量分立元件构建的。 虽然这对于一些小批量的特殊产品来说可能是完全合理的，但对于大批量产品（如挡光板或光幕）来说绝对是一个问题。 除了在组件定价和几何尺寸方面的明显优势外，它们还将在产品可靠性和组装复杂性以及组装成本方面受益于更高集成度的光学传感器产品。 尽管分立元件的大量聚集固有地为产品设计提供了高度的灵活性，但在表面贴装设备装配线 (SMD) 中，每个元件都代表着不可忽略的装配成本，并且每个引脚的故障率都非零，焊接到印刷电路板 (PCB) 上。 更高的集成度同时处理这两个元素。

然而，很明显，光学传感器的芯片集成是有代价的：如果不注意它，灵活性就会部分丧失。很明显，您需要通过向这些光学传感器芯片添加可配置性和可编程性来弥补这种灵活性损失。首先，这对于补偿实际传感元件的制造差异是必要的。但更重要的是，可编程性对于灵活的信号处理也至关重要，以便创建特定应用的片上系统 (SOC) 甚至标准传感器产品。过去已经观察到，许多电子电路变得非常成功，因为它们集成了一个定制的可编程信号调节和处理部件，这使得该电路的使用方式超出了最初的预期。但要取得成功，不应停留在（预）处理信息的输出上，您需要考虑与外部世界的接口。在相当多的应用中，需要从不同位置的几个不同传感器收集信息，有时甚至需要从不同类型的信号中收集信息。在恶劣的工业环境中提供易于使用的同时提供高安全性的数据传输的必要接口方式变得极为重要。

这种高度集成的光电芯片的另一个重要方面是封装。 它通常占整个产品成本的很大一部分。 在标准电子元件中，它的唯一好处是保护电路免受环境影响，并使其可用于电子生产线的标准组装方法。 在光电传感器的情况下，这可能看起来完全不同：通过添加光学功能，例如过滤掉不需要的光谱成分，并在封装中添加简单或更复杂的光束整形功能，可以增加价值进入封装以降低整体系统成本。 然而，重要的是用这些元件封装和封装的组件保持可机焊。 否则将失去一项关键优势，并且需要通过更高的手动组装成本来补偿。

因此，将良好的光学前端与灵活的信号调节以及与各种不同传感器的合理接口相结合，封装到可机焊的封装中，就构成了良好的光学传感器产品。 以大批量主流产品为主的传统半导体行业对投资支持此类光传感产品的半导体工艺技术不感兴趣。
在到 2008 年超过 300B$ 的整体年度半导体市场中，估计 1-2B$ 的光传感芯片产品市场太小，以至于大型集成设备制造商 (IDM) 无法考虑。 这些大型 IDM 需要摊销他们在用于 90 纳米以上工艺节点的深亚微米制造设施上的数十亿美元投资，这一事实进一步凸显了这一点。 然而，通过正确设置技术平台，即使考虑到要处理的产品和应用程序的多样性，它也将代表有吸引力的利基市场。 但它显然需要很大的灵活性和对小客户的奉献精神，才能在这个市场领域取得成功。 不仅制造过程，而且所有业务流程都需要适应这种非传统环境。

3. 技术要求和基本方法

用于 CMOS 技术的现代半导体制造工艺依赖于几种关键方法来提高产量。 不幸的是，这些方法固有地阻碍了将良好的近红外范围 (NIR) 中的光电传感器与 CMOS 电子器件集成在同一芯片上的能力。 最明显的障碍是在基础硅晶片材料中使用高背景掺杂水平以及高氧浓度。 为了达到最先进的感光度和噪声值，需要克服这些技术限制。 此外，高度集成的传感器产品依赖于标准 CMOS 技术之上所需的许多附加功能来完成集成工作：高压晶体管可实现与现实应用世界的工业级接口，而非易失性存储器则需要在芯片上安全地存储配置和校准数据。

3.1 NIR 范围内的高量子效率

硅中 850nm 到 950nm 附近的吸收长度超过 15mm。 另一方面，CMOS 工艺技术中的结深度随着现代深亚微米工艺的工艺节点最大仅达到 1 毫米而扩展，因此在 NIR 范围内的量子效率低得令人无法接受。 使用厚外延层或使用贯穿基板的配置可能会克服这一限制。 参见图 1
两个案例的比较。然而，结中耗尽区厚度的第二个限制来自晶片基底材料的背景掺杂。对于普通的 Czochralski (CZ) 晶圆材料，可用的最低掺杂水平约为 50Ohm*cm。这基本上将结深度限制在最大约 10 毫米，因此在 950 纳米波长范围内的本征量子效率低于 50%，通常为 10%。反过来，这显然与所看到的大于 90% 的量子效率相差太远
在当今的商业分立 PIN 光电二极管中。因此，需要高电阻率晶圆来实现良好的
近红外辐射的吸收体积。

3.2 低噪声检测和超低暗电流

经典 CMOS 衬底的另一个限制是 NIR 所需的如此厚结中的暗电流
检测。 暗电流及其归因散粒噪声直接影响探测器信号链中的总噪声功率，并且无法通过经典的降噪技术消除，例如相关双采样 (CDS) 和达到单光子检测所需的带宽限制限制。 传统 CZ 基材中相对较高的氧含量是重金属离子的吸杂场所，即使在最先进的单晶片加工机械中也不可避免地出现。 尽可能干净地工作以避免生产设施中的重金属离子污染当然是一个很好的起点，但绝对不足以在生产线中保持良好的暗电流行为和高产量。 标准 CMOS 晶圆的载流子寿命最长约为 10ms，再加上 10mm 厚的结会导致数 10nA/cm 的暗电流². 另一方面，分立的光电二极管表现出暗电流
10pA/cm量级²，即比标准CMOS晶片的情况低至少一个数量级。 此外，建立在高电阻浮区 (FZ) 硅上的基于 CCD 的科学成像仪已显示出亚 pA/cm² 室温下的暗电流行为。 因此，在清洁环境中处理的高载流子寿命晶圆不会降低其出色的暗电流特性似乎是一个合理的假设，这是近红外光谱范围内超低噪声检测系统的良好起点。 将 NIR 应用的电流最小化的一个非常有趣的副作用是，如果结以雪崩模式运行，这种技术本质上将实现单光子检测能力。

3.3 支持高压接口的 CMOS 工艺节点

当结合模拟和数字能力方面的产品需求的各个方面时，归结为选择在技术上和商业上都非常平衡的 130nm 工艺节点：
1.8V 数字内核电压为低复杂度微控制器内核（如 ARM7 架构）带来了具有竞争力的电流消耗。 该节点的内存密度为1.0Mbit/mm² 范围和 200kgates/mm 的逻辑密度² 与数字信号处理所需的中等 DSP 加速器功能兼容。在 130nm 节点内，蓝牙、Zigbee、GSM 等中用于无线通信的重要 2.4GHz ISM 频段的大多数射频 (RF) 功能都是现成的，因此可以简单地集成无线电接口电子设备。然而，这种工艺节点的第二栅氧化层仍然与 3.3V 和 5V 应用兼容，避免了三栅氧化层工艺的复杂性。通过实现漏极扩展 MOS (DEMOS) 结构，可以实现高达 40V 的 IO 电压，从而实现各种行业标准。

3.4 非易失性存储器

为了完成具有 130nm CMOS 工艺节点的高量子效率 NIR 探测器的集成策略，需要高密度非易失性存储器解决方案来在探测器系统内安全地存储配置和校准信息，并允许轻松定制传感器针对客户需求的应用。 众所周知的闪存和 EEPROM 存储器技术非常适合 130nm 技术节点。

4. 光子系统集成

将无数分立电子元件安装在单个 PCB 或 PCB 堆栈上的传统方法具有固有的局限性，即需要对每个单独的元件进行封装，因此每次都会影响系统的总价格。 根据元件的类型，封装成本可能占未封装芯片或元件成本的 100% 以上。 因此，单独封装的器件具有巨大的成本节约潜力。 为了保持在全球光电传感器市场的竞争力，一个直接的解决方案是将组装和包装成本降至最低。 这可以通过多种途径实现：其中之一是努力实现封装级甚至芯片级集成水平，如图 2 所示。第一个立即行动将是实现封装级光子芯片。 他们依靠使用带有焊球的传统 PCB 的 BGA 外壳。 SMD 装配线中的标准贴片机可以处理它们。 超过 10 毫米的焦距是可能的。 这样的套餐将贡献20%左右
芯片价格，同时在生产设置成本方面仍然合理。 因此，它非常适合小批量到大批量。

图 2 显示了通过传统 SMD 机器和无铅焊接将这种光电芯片组装到 PCB 上。 该芯片（图中圈出）的尺寸为 0.86 x 1.16mm，厚度为 50mm。 光来自顶部，而电子电路的有源部分位于芯片的底部。 此外，PCB 的焊点由芯片底部的螺柱凸块制成。 因此，实现了 100% 的填充因子，这意味着背面的整个芯片区域都是感光的。 该芯片包含约。 150,000个晶体管，构建一个完整的光幕传感器节点。

如果一个目标是更大的体积或更小的封装尺寸，则不可避免地会选择芯片级封装。 它们基于细线 PCB 技术，实际上允许高达 4 毫米的焦距。 在这种情况下，该软件包只会贡献大约。 芯片价格的 5%。 在这两种情况下，封装的顶盖都可以包含光学透镜系统以及光学滤光片、偏振器和其他以塑料注塑或回流技术制造的光子组件。 可以假设成熟的系统级 OSIP 将系统成本降低一半：组件数量可以减少 3 倍以上，同时面积减少 4 倍，体积减少 10 倍。 XNUMX 倍。这些系统可以交付给经过全面测试的客户，并且由于其极具吸引力的性价比，将开辟许多新的传感器市场。

5. 实例

5.1 智能光电二极管接收器

单光束和多光束光栅以及光幕是一类工业光传感器，年产量超过数千万片。 虽然光屏障产品缺乏高度集成的光电探测器，主要是由于小型化程度有限，但光幕的经济性存在明显的瓶颈。 为了理解这个问题，我们需要仔细研究一下今天的光幕是如何构建和操作的：光幕由几对相同的发射器 (LED) 和接收器（PIN 光电二极管加上电子器件）组成，它们位于两个铝材中或塑料型材，如图 3 所示。为了最大限度地减少型材边缘内的布线，发射器元件和接收器元件位于 XY 矩阵排列中，并通过对矩阵布线的适当扫描单独寻址。 内部或外部控制器负责光幕所需的时序。 光幕中的每个接收器元件仅在预期的光脉冲到达前不久通电。 为了满足安全应用，光幕的扫描操作需要非常快，这会立即转化为由离散 SMD 组件构建的接收器节点的非常快速的上电行为。 然而，过去十年光幕市场出现的价格侵蚀，基本上使得该产品领域无法继续传统路线并要求新架构。

单个接收器元件的更高集成度解决了各种攻击角度的难题：具有高性能信号调节、片上信号和信息处理以及强大接口的完全集成光学前端将减少组件数量，从而减少组件和组装成本，同时提高技术性能和可靠性。 图 4 详细介绍了迈向完全集成的智能 NIR 接收器/发射器芯片的第一步的概念，该芯片将成为未来光幕以及单光束或叉形光栅的核心。

如图 4 所示，传感器元件之间的通信是通过为此类光电传感器的时序和安全需求量身定制的两线电源线接口处理的。 图 5 展示了智能 NIR 接收器/发射器芯片中的各个模块。 在接下来的步骤中，外部光电二极管将被片上光电二极管取代，以进一步提高光学灵敏度并减少组件数量和成本。 可以预见，未来将会有封装好的传感器节点直接压接到双绞线电源线上。

5.2 3D-TOF 相机

在上一小节中讨论过的产品类别，无论是基于点（单光束光栅）还是在平面上操作（光幕）。 然而，当今制造场所的真实世界环境以及家庭和公共区域对安全性和舒适性的需求要求基于 3D 信息的更复杂的决策过程。 众所周知，从图像处理开始就很难从 3D 彩色或灰度图像中“猜测”出 2D 环境。 不久之后，由于缺乏对目标距离的真实测量，每个旨在从 3D 图像中提取 2D 信息的算法都失败了。 然而，当今存在许多通过各种方法直接测量 3D 地图的方法。 其中直接或间接测量单光子飞行时间的3D飞行时间（3D-TOF）方法非常流行。 不幸的是，能够测量光子飞行时间的设备要么机械复杂，例如激光扫描仪 [2]，要么由于缺乏近红外范围内的高灵敏度光子接收器而需要大量的主动照明 [3]。 任何一种情况都会导致设备体积庞大且价格高昂，从而降低了它们在大众市场应用中的适用性，例如汽车安全设备、计算机和游戏的人机界面、门和大门、机器安全、家庭自动化和许多其他应用。 高度集成的 4D-TOF 相机具有合理的图像分辨率，无论是横向还是距离，与片上信号和信息处理相结合，将开辟与过去网络摄像头相媲美的应用领域。 只要对用户屏蔽测量光子飞行时间的棘手部分，并且只向他们提供像微控制器一样简单的外部接口，他们就可以完全专注于应用程序本身，而不是棘手的物理测量任务。

6。结论

本文已经表明，需要全新的方法来实现在 NIR 光谱范围内敏感的高度集成的光子检测系统。 基本构建块已经单独存在了很长一段时间，但从未集成在一起，主要是为了标准电子设备的传统半导体制造商的经济推理。 进一步表明，此类集成 OSOC 和 OSIP 的现有市场足以证明在该领域实施专用晶圆厂的合理性。 在接下来的几年里，可以预见的是，许多在日常生活中出现但通常不会被注意到的大批量产品将从传统的 PCB 上 SMD 组件的分立组装技术迁移到更高的集成度。 这已在智能光电二极管接收器以及低成本 3D-TOF 相机的示例中得到说明。

参考文献：

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

卡内斯塔，https://www.canesta.com