Studies on the properties of integrated CMOS image sensor arrays on single crystalline thinned and flexible silicon chips
Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Final Report Abstract
Das Projekt „FlexBild“ hatte zum Ziel, die Eigenschaften von CMOS-Bildsensoren auf dünnen Substraten unter Biegung zu untersuchen und einen Demonstrator zu entwickeln, der einen gebogenen Sensor einsetzt und als optisches System eine Facettenaugenoptik verwendet, welche einen sehr kompakten Aufbau ermöglicht. Nach den Untersuchungen von einzelnen Bauelementen im ersten Förderungszeitraum wurden im hier beschriebenen zweiten Förderungszeitraum weitere Eigenschaften und Bauelemente untersucht. Der Dunkelstrom von Photodioden, der die Empfindlichkeit von Bildsensoren bei geringen Beleuchtungsstärken maßgeblich bestimmt, wurde auf seine Änderung unter mechanischer Spannung sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Dabei konnte eine gute Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment festgestellt werden und es zeigte sich eine Erhöhung des Dunkelstroms unter Zug- und eine Erniedrigung unter den betrachteten Druckspannungen. Des Weiteren wurde die Änderung des 1/f-Rauschen von pMOS- und nMOS-Transistoren auf gedünnten Substraten unter Biegung untersucht, wobei sich eine gute Übereinstimmung mit der Literatur zeigt. Für integrierte Schaltungen ist häufig die Bereitstellung von Referenzspannungen notwendig. Dies geschieht in der Regel durch auf dem Chip integrierte Bandgap-Referenzspannungsquellen. Zur Untersuchung der Änderung der Referenzspannung unter Biegung wurde eine Bandgap-Referenzspannungsquelle entworfen, mittels der im ersten Förderungszeitraum entwickelten Simulationsmethode simuliert, gefertigt und vermessen. Als Möglichkeit, Bauelemente mit geringer Abhängigkeit von der mechanischen Spannung zu entwerfen, wurden pMOS-Transistoren mit kreisförmigen Gate entworfen, modelliert, gefertigt und vermessen. Da der piezoresistive Koeffizient von linearen pMOS-Transistoren je nach kristallographischer Orientierung das Vorzeichen wechselt, erlaubt die Kombination von Transistoren verschiedener Ausrichtung eine Minimierung des effektiven piezoresistiven Koeffizienten. Ein Transistor mit kreisförmigen Gate kann auch als Kombination aus unendlich vielen linearen Transistoren unterschiedlicher Ausrichtung aufgefasst werden. Die Verringerung des piezoresistiven Koeffizienten konnte sowohl analytisch als auch experimentell bestätigt werden. Um die Möglichkeit eines biegbaren Bildsensors, ihn auf der Außenseite eines Endoskops aufzubringen ausnutzen zu können, ist eine entsprechend angepasste flachbauende dem Facettenauge nachempfundene Optik notwendig. Dazu wurde der Akzeptanzwinkel von mittels geschwärzten Silikons optisch isolierten Säulen aus dem Polymer SU8 untersucht und festgestellt, dass der Akzeptanzwinkel nicht ausreichend klein ist. Da der Akzeptanzwinkel unter Verwendung von Mikrolinsen verkleinert werden kann, wurde ein reproduzierbarer Prozess zur Fertigung und Montage auf den lichtleitenden Säulen entwickelt. Für den Aufbau des Demonstrators, der die im Projektverlauf gewonnenen Erkenntnisse gebündelt darstellen soll, wurde ein 2 cm langer Bildsensor mit einer Auflösung von 1200x200 entworfen und gefertigt. Zusätzlich wurde die benötigte Hard- und Software zum Auslesen des Sensors und zur Darstellung der aufgenommen Bilder am PC entwickelt. Da die Funktionsfähigkeit des Sensors aufgrund einer erhöhten Stromaufnahme nicht nachgewiesen werden konnte, wurden kommerziell erhältliche, ungehäust verfügbare Sensoren mit der dazugehörigen Ausleseelektronik beschafft. Die Erstellung des Demonstrators mit Hilfe dieses Sensors wird auch nach dem Ende von „FlexBild“ am IWE 1 weiter verfolgt.
Publications
- “CMOS Transistors under Uniaxial Stress on Ultra-Thin Chips for Applications in Bendable Image Sensors”, Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2012 8th Conference on, 2012, p. 1–4
J. Haefner, W. Mokwa, G. Dogiamis, B. Hosticka and A. Grabmaier
- “Theoretical considerations of the influence of mechanical uniaxial stress on pixel readout circuits”, International Conference on Circuits, Devices and Systems, ICCDS 2012, WASET, vol. 66, 2012, p. 69–74
G. Dogiamis, B. Hosticka and A. Grabmaier
- “An Ultra-Thin Bendable Si-Monolithic Imaging Test Sensor”, Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2013 Transducers Eurosensors XXVII: The 17th International Conference on, 2013, p. 964–967
G. Dogiamis, J. Haefner, W. Mokwa, B. Hosticka and A. Grabmaier
- “An ultra-thin flexible monolithic CMOS imaging test structure for applications in bendable image sensors”, 2013 Flexible and Printed Electronics (FLEX) Conference Proceedings, 2013, p. 13.4
G. Dogiamis
- “Investigations on an Ultra-Thin Bendable Monolithic Si CMOS Image Sensor”, Sensors Journal, IEEE, vol.13, no.10, pp.3892–3900, Oct. 2013
G. Dogiamis, B. Hosticka and A. Grabmaier
(See online at https://doi.org/10.1109/JSEN.2013.2254474)
