Ladungsbasierte analog-digitale Signalverarbeitung für schnelle CMOS-Bildsensoren

Bei Hochgeschwindigkeits-Bildsensoren spielte die Frage des schnellen und verlustleistungsarmen Auslesens der Sensormatrix eine entscheidende Rolle. Trotz immer weiter sinkender Strukturabmessungen im Zuge der Entwicklung neuer Halbleiter-Technologien bleibt die Chipgröße hochwertiger Sensoren in der Regel gleich oder steigt mit der Anzahl der integrierten Sensorelemente. Insgesamt nehmen dadurch mit jedem Generationsschritt die Einflüsse der parasitären Kapazitäten und Widerstände auf das Systemverhalten zu. Im Band 32 der Reihe "Dresdner Beiträge zur Sensorik" wird eine effiziente, kompakte und universelle Systemarchitektur zur Übertragung und Verarbeitung von Informationen unter Verwendung von Ladungspaketen vorgestellt. Sie weist die Vorteile der strombasierten Schaltungstechnik, einfache Subtraktion und Addition von Werten, auf und kann sehr wirtschaftlich in einer modernen digitalen CMOS-Technologie implementiert werden.
Die Grundlagen der ladungsbasierten Signalverarbeitung werden umfassend beschrieben und daraus eine Architektur für Hochgeschwindigkeitsbildsensoren mit integrierter Signalverarbeitung abgeleitet. Darüber hinaus ist eine strahlungsempfindliche Anordnung mit kapazitivem Reset dargestellt, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften auch für die Verwendung in CMOS-Technologien unterhalb von 100nm sehr gut eignet. Die Vorteile der neuen Schaltungstechnik werden an einem System zur Weißlicht-Interferometrie demonstriert. Für die dazu erforderliche und bisher sehr aufwändig gelöste Signalverarbeitung wird eine kompakte und effiziente Alternative vorgestellt. Durch die gemischt analog-digitale Realisierung im Sensor sinkt die erforderliche Auslesedatenrate um mehrere Größenordnungen. Die erzielbare Bildwiederholfrequenz von über 30kHz ermöglicht eine inline 3D-Oberflächeninspektion in Fertigungsprozessen. Aufgrund der universellen Sensorarchitektur ist auch eine Vielzahl anderer Anwendungen der technischen Bildaufnahme und -verarbeitung möglich.