DE10108324A1 - Focal plane plate for high resolution camera with semiconducting sensors has electronics input stage on side walls, connected to sensor signal outputs by conducting tracks on side walls - Google Patents
Focal plane plate for high resolution camera with semiconducting sensors has electronics input stage on side walls, connected to sensor signal outputs by conducting tracks on side wallsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Fokalebenenplatte gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.The invention relates to a focal plane plate according to the preamble of Pa claim 1.
Aus der DE 199 32 065 A1 ist eine Fokalebenenplatte für eine hochauflösende Kamera mit lichtempfindlichen Halbleitersensoren bekannt, bestehend aus ei nem elektrisch nichtleitendem Material zur Aufnahme gehäuster lichtempfindlicher Halbleitersensoren, wobei auf der Fokalebenenplatte Justierelemente an den Anordnungsstellen der Gehäuse der lichtempfindlichen Halbleitersensoren angeordnet sind, die komplementär an die Form der Gehäuse mechanisch anpaßbar sind. Die Justierelemente sind vorzugsweise als Inserts ausgebildet, die in Aussparungen der Fokalebenenplatte mechanisch lösbar verbunden angeordnet sind. Die Fokalebenenplatte und die Inserts sind mit Bohrungen ausgebildet, die zusammen jeweils einen Kanal bilden, in denen Wärmeleitrohre angeordnet sind oder durch die Kühlflüssigkeit pumpbar ist. Die Inserts bestehen vorzugsweise aus einem Werkstoff mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als die Fokalebenenplatte. Dies ist vorteilhaft, wenn die lichtempfindlichen Halbleitersensoren auf einer Arbeitstemperatur gehalten werden sollen, die niedriger als die Umgebungstemperatur ist, da dadurch weniger parasitäre Wärme von der Fokalebenenplatte in die Inserts eingekoppelt wird. Ein bevor zugter Werkstoff für die Inserts ist Aluminiumnitrid. Weiter wird vorgeschlagen, daß die Fokalebenenplatte im Bereich der Kontaktpins durchkontaktiert ist, was die Anordnung der sensornahen Elektronik auf der Unterseite der Fokalebenenplatte ermöglicht. Die Kühlung der Halbleitersensoren dient neben der Abführung von Verlustwärme auch der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Sensorsignale, das ein Maß für die Auslösung darstellt. DE 199 32 065 A1 describes a focal plane plate for high-resolution Known camera with light-sensitive semiconductor sensors, consisting of egg nem electrically non-conductive material for housing photosensitive semiconductor sensors, being on the focal plane plate Adjustment elements at the locations of the housing photosensitive semiconductor sensors are arranged, which complement each other the shape of the housing can be adjusted mechanically. The adjustment elements are preferably formed as inserts in the recesses of the Focal plane plate are mechanically detachably connected. The Focal plane plate and the inserts are formed with holes that together form a channel in which heat pipes are arranged are or is pumpable by the coolant. The inserts exist preferably made of a material with a greater thermal conductivity than the focal plane plate. This is advantageous if the photosensitive Semiconductor sensors are to be kept at a working temperature that is lower than the ambient temperature because it is less parasitic Heat is injected from the focal plane plate into the inserts. A before The material used for the inserts is aluminum nitride. Will continue suggested that the focal plane plate in the area of the contact pins is plated through what the arrangement of the sensor-related electronics on the Bottom of the focal plane plate allows. Cooling the In addition to dissipating heat loss, semiconductor sensors also serve to Improve the signal-to-noise ratio of the sensor signals, which is a measure represents for triggering.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Fokalebe nenplatte für eine hochauflösende Kamera mit lichtempfindlichen Halbleitersensoren zu schaffen, mittels derer ein verbessertes Signal-Rausch- Verhältnis erreichbar ist.The invention is therefore based on the technical problem, a focal life plate for a high-resolution camera with photosensitive To create semiconductor sensors by means of which an improved signal-noise Ratio is achievable.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from the subject the features of claim 1. Further advantageous refinements the invention emerge from the subclaims.
Hierzu wird mindestens eine erste Eingangsstufe der sensornahen Elektronik der Halbleitersensoren auf den Seitenwänden der Inserts angeordnet und über auf den Seitenflächen angeordneten Leiterbahnen mit den Signalausgängen der Halbleitersensoren verbunden. Die Erfindung geht dabei von folgenden Vorüberlegungen aus. Die Photonen-Strahlungsdichte kann mit der Poisson- Verteilung angenähert werden. Aus dieser Verteilung ergibt sich ein Signal- Rausch-Verhältnis der Photonen von SNR = , wobei Nph gleich der Anzahl der Photonen ist. Beim Einsatz von Sensoren, die Photonen innerhalb einer Zeit akkumulieren und unter der Voraussetzung, daß die proportionale Anzahl generierter Elektronen in die dafür vorgesehenen Integrationsgebiete des Halbleitersensors passen, ergibt sich ein Sensor-Signal-Rausch-Verhältnis von SNRSENSOR ~ , wobei Ne- die Anzahl der generierten Elektronen ist.For this purpose, at least one first input stage of the sensor-related electronics of the semiconductor sensors is arranged on the side walls of the inserts and connected to the signal outputs of the semiconductor sensors via conductor tracks arranged on the side surfaces. The invention is based on the following preliminary considerations. The photon radiation density can be approximated with the Poisson distribution. This distribution gives a signal-to-noise ratio of the photons of SNR =, where N ph is the number of photons. When using sensors that accumulate photons within a period of time and provided that the proportional number of generated electrons fit into the integration areas of the semiconductor sensor, a sensor-signal-to-noise ratio of SNR SENSOR ~ results , where N e - is the number of electrons generated.
Hierbei wird zusätzlich vorausgesetzt, daß der Sensor im linearen Arbeitsbereich eingesetzt wird. Die für die Sensoren typischen maximalen Elektronenzahlen liegen zwischen 50.000 und 500.000 Elektronen. Hieraus ergeben sich SNR-Verhältnisse von 224 und 707. Aufgrund dieser Tatsache ergibt sich, daß die nachgeschaltete sensornahe Elektronik möglichst nur sehr kleine und konstante Rauscheinflüsse besitzen darf. Zu dem SNRSENSOR, das durch das Photonen-Rauschen begrenzt wird, kommen noch weitere Rauscheinflüsse hinzu. Diese sind sowohl von der Temperatur als auch von der Auslesegeschwindigkeit abhängig. Ein weiterer Faktor für die mögliche Abweichung der Elektronenzahl sind Rauscheinflüsse des externen Elektronikkanals. Der sensorspezifische Konversionsfaktor gibt die Proportionalität zwischen Sensorausgangssignal und Elektronenanzahl an und beinhaltet sowohl die Ladungs-Spannungswandlung als auch die Spannungsverstärkung des Sensor-Ausgangsverstärkers. Hier setzt nun die Erfindung ein, nämlich die sensornahe Elektronik bzw. mindestens deren erste Eingangsstufe auf den Seitenwänden der Inserts und nicht auf der Rückseite der schlecht wärmeleitenden Fokalebenenplatten anzuordnen, um den Rauschbeitrag der externen Elektronik so zu minimieren, daß dieser kleiner/gleich dem Sensor-Rauschen ist. Hierzu werden die Einflüsse des externen Elektronikkanals auf ein konstantes, von der Umgebungstemperatur unabhängiges Niveau minimiert, da diese auf dem gekühlten und tempera turkompensierten Insert angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil der Anordnung der ersten Eingangsstufe auf den Inserts ist, daß beim Handling der Inserts mit den Halbleitersensoren diese besser gegen Zerstörung durch elektrostatische Entladungen geschützt sind. Insbesondere bei Verwendung von CCD-Sensoren als Halbleitersensoren sind diese gegenüber elektrostatischen Entladungen sehr empfindlich. Da die ersten Eingangsstufen einen sehr niederohmigen stromstarken Ausgang aufweisen, sind Zerstörungen der Sensor-Ausgänge kaum noch möglich.This also assumes that the sensor is used in the linear working area. The maximum number of electrons typical for the sensors is between 50,000 and 500,000 electrons. This results in SNR ratios of 224 and 707. This fact means that the downstream electronics close to the sensor may have only very small and constant noise influences. In addition to the SNR SENSOR , which is limited by the photon noise, there are further noise influences. These depend on the temperature as well as the reading speed. Another factor for the possible deviation of the number of electrons is the noise influences of the external electronics channel. The sensor-specific conversion factor indicates the proportionality between the sensor output signal and the number of electrons and includes both the charge-voltage conversion and the voltage amplification of the sensor output amplifier. This is where the invention comes in, namely to arrange the electronics close to the sensor or at least their first input stage on the side walls of the inserts and not on the back of the poorly heat-conducting focal plane plates in order to minimize the noise contribution of the external electronics so that it is less than / equal to the sensor -Noise is. For this purpose, the influences of the external electronics channel are minimized to a constant level that is independent of the ambient temperature, since these are arranged on the cooled and temperature-compensated insert. Another advantage of the arrangement of the first input stage on the inserts is that when the inserts are handled with the semiconductor sensors, they are better protected against destruction by electrostatic discharges. Especially when using CCD sensors as semiconductor sensors, they are very sensitive to electrostatic discharges. Since the first input stages have a very low-impedance, high-current output, it is hardly possible to destroy the sensor outputs.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Eingangsstufen in unmittelbarer Umgebung der Signalausgänge der Halbleitersensoren an geordnet, wodurch eine extrem kurze Leitungsführung erlaubt wird, so daß sich die Möglichkeit kapazitiver und induktiver Störeinstrahlungen auf ein Minimum reduziert. Da die Stromversorgungsanschlüsse der Eingangsstufen mit denen der FET-Ausgangsstufe der CCD- bzw. C-MOS-Elemente identisch und ebenfalls sehr kurz sind, werden auch hier externe Störungen weitgehend ausgeschlossen. Die Platzierung der Buffer auf dem Keramik-Insert direkt neben den Halbleitersensoren gewährleistet eine stabile niedrige Arbeitstemperatur der Schaltkreise und garantiert somit, daß das analoge Ausgangssignal nicht durch thermische Rauscheinflüsse verschlechtert wird.In a further preferred embodiment, the first input stages in the immediate vicinity of the signal outputs of the semiconductor sensors ordered, which allows an extremely short cable routing, so that the possibility of capacitive and inductive interference Minimum reduced. Because the power supply connections of the input stages identical to those of the FET output stage of the CCD or C-MOS elements and are also very short, external interference is also largely here locked out. The placement of the buffers on the ceramic insert directly in addition to the semiconductor sensors ensures a stable low Working temperature of the circuits and thus guarantees that the analog Output signal is not deteriorated by thermal noise.
Vorzugsweise besteht das Insert aus einer Aluminiumnitrid-Keramik, die bei einer guten Bearbeitbarkeit eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.The insert preferably consists of an aluminum nitride ceramic, which at good machinability and high thermal conductivity.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird auf Seitenflächen der In serts mindestens eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht, auf der Leiterbahnen angeordnet sind. Die Beschichtung erfolgt dabei vorzugsweise mittels CVD-Verfahren. Der Vorteil der Aluminiumoxidschicht ist verbesserte Haftfestigkeit der aufgebrachten Leiterbahnen, insbesondere wenn diese mittels Siebdruck aufgebracht werden. Ein weiterer Vorteil ist die bessere chemische Verträglichkeit mit gegebenenfalls notwendigen isolierenden Zwischenschichten, um Leiterbahnkreuzungen zu realisieren.In a further preferred embodiment, the In serts applied at least one aluminum oxide layer on which Conductor tracks are arranged. The coating is preferably carried out using the CVD process. The advantage of the aluminum oxide layer is improved Adhesion strength of the applied conductor tracks, especially if they are applied by screen printing. Another advantage is the better one chemical compatibility with any necessary insulating Intermediate layers to realize interconnect crossings.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Leiterbahnen mit tels Siebdruck aufgebracht, wobei vorzugsweise Silber-Palladium-Pasten An wendung finden.In a further preferred embodiment, the conductor tracks are also applied by screen printing, preferably silver-palladium pastes find application.
Die verwendeten Halbleitersensoren sind vorzugsweise als CCD- oder C-MOS Sensoren ausgebildet.The semiconductor sensors used are preferably CCD or C-MOS sensors designed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Inserts.The invention is described below on the basis of a preferred embodiment game explained in more detail. The only figure shows a schematic representation an insert.
Das Insert 1 ist im wesentlichen quaderförmig ausgebildet und besteht aus einer Aluminiumnitrat-Keramik. Das Insert 1 weist parallel zur Längsachse eine Bohrung 2 auf, durch die ein Kühlmittel pumpbar oder in der ein Wärmeleitrohr anordenbar ist. Auf die Seitenwände 3 des Inserts ist eine Aluminiumoxid-Schicht aufgebracht. Auf dieser Aluminiumoxid-Schicht sind Leiterbahnen 4 und nicht dargestellte Kontaktpads angeordnet, die beispielsweise mittels Siebdruckverfahren aufgedruckt wurden. Auf der Oberseite des Inserts 1 ist eine gehäuste CCD-Zeile 5 mit Lichteintrittsfenster 6 angeordnet, deren Kontaktpins 7 mit den oberen Leiterbahnen 4 verbunden sind. Auf den Seitenwänden 3 des Inserts 1 sind weiter erste Eingangsstufen 8 einer sensornahen Elektronik, Kontaktpins 9 und ein Temperatursensor 10 angeordnet. Die Eingangsstufen 8 sind eingangsseitig über die Leiterbahnen 4 mit den Kontaktpins 7 der gehäusten CCD-Zeite 5 und ausgangsseitig über die Leiterbahnen 4 und die Kontaktpins 9 mit den übrigen Bauelementen der sensornahen Elektronik verbunden. Durch die Anordnung der Eingangsstufen 8 auf den Seitenwänden 3 der Inserts 1 werden diese wie die gehäuste CCD- Zeile 5 auf ein konstantes, von der Umgebungstemperatur unabhängiges Niveau minimiert, so daß der Rauschbeitrag der sensornahen Elekronik minimiert wird.The insert 1 is essentially cuboid and consists of an aluminum nitrate ceramic. The insert 1 has a bore 2 parallel to the longitudinal axis through which a coolant can be pumped or in which a heat pipe can be arranged. An aluminum oxide layer is applied to the side walls 3 of the insert. Conductor tracks 4 and contact pads, not shown, are arranged on this aluminum oxide layer and have been printed, for example, by means of a screen printing process. On the top of the insert 1 there is a housed CCD line 5 with a light entry window 6 , the contact pins 7 of which are connected to the upper conductor tracks 4 . On the side walls 3 of the insert 1 , further first input stages 8 of electronics close to the sensor, contact pins 9 and a temperature sensor 10 are arranged. The input stages 8 are connected on the input side via the conductor tracks 4 to the contact pins 7 of the housed CCD side 5 and on the output side via the conductor tracks 4 and the contact pins 9 to the other components of the sensor-related electronics. The arrangement of the input stages 8 on the side walls 3 of the inserts 1 minimizes them, like the housed CCD line 5, to a constant level which is independent of the ambient temperature, so that the noise contribution from the electronics close to the sensor is minimized.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |