DE102006060604A1 - Photoelectric sensor device - Google Patents

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Abstract

Eine photoelektrische Sensoreinrichtung, umfassend einen Sensorchip mit einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung einer Vielzahl von einzelne Bildpunkte bildenden, photoelektrischen Wandlerelementen sowie ein unmittelbar auf dem Sensorchip aufgebrachtes Element mit steuerbarer Lichttransmission zum Steuern der Belichtung einzelner und/oder von Gruppen von Wandlerelemente(n), ist dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit steuerbarer Lichttransmission einen ersten und einen zweiten Polarisationsfilter (11, 6) sowie ein zwischen diesen angeordnetes Flüssigkristall-Element (8) umfasst und dass der zwischen den Wandlerelementen und dem Flüssigkristall-Element (8) angeordnete, zweite Polarisationsfilter (6) durch eine auf dem Sensorchip direturierte, elektrisch leitfähige Schicht (5) gebildet ist.A photoelectric sensor device comprising a sensor chip with a one- or two-dimensional arrangement of a plurality of individual image-forming, photoelectric conversion elements and an element directly controllable on the sensor chip with controllable light transmission for controlling the exposure of individual and / or groups of transducer elements (s), is characterized in that the element with controllable light transmission comprises a first and a second polarizing filter (11, 6) and a liquid crystal element (8) arranged between them, and that the second one arranged between the transducer elements and the liquid crystal element (8) Polarization filter (6) by an on the sensor chip direturierte, electrically conductive layer (5) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Sensoreinrichtung umfassend einen Sensorchip mit einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung einer Vielzahl von einzelne Bildpunkte bildenden, photoelektrischen Wandlerelementen sowie ein unmittelbar auf dem Sensorchip aufgebrachtes Element mit steuerbarer Lichttransmission zum Steuern der Belichtung einzelner und/oder von Gruppen von Wandlerelemente(n).The The invention relates to a photoelectric sensor device comprising a sensor chip with a one- or two-dimensional arrangement a plurality of individual pixels forming, photoelectric Transducer elements and an applied directly on the sensor chip Controllable light transmission element for controlling the exposure individual and / or groups of transducer elements (s).

Photoelektrische Sensoreinrichtungen der hier angesprochenen Art werden beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich in Kamerasystemen eingesetzt, welche Bilder einer Umgebung aufnehmen. Aus den aufgenommenen Bildern werden dann beispielsweise mittels Bildanalyse Reaktionen abgeleitet oder aber die aufgenommenen Bildsequenzen abgespeichert. Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet für diese Sensorarrays bilden dabei im Bereich der Kraftfahrzeuge Fahrerassistenzsysteme mit unterschiedlichen Aufgaben wie etwa Spurerkennung oder Verkehrszeichenerkennung.Photoelectric Sensor devices of the type discussed here become, for example used in the automotive sector in camera systems, which images an environment. From the pictures taken then become for example, derived by means of image analysis reactions or the recorded image sequences are stored. A particularly interesting Application for These sensor arrays include driver assistance systems in the field of motor vehicles different tasks such as lane detection or traffic sign recognition.

Ein wichtiger Aspekt bei derartigen Systemen ist, dass die von der Kamera aufgenommenen Bilder unter verschiedenen Bedingungen wie Tageslicht, in der Nacht oder Dämmerung oder unter speziellen Wetterbedingungen eine für die Anwendung ausreichende Qualität aufweisen müssen, insbesondere auswertbar sein müssen. Von besonderer Bedeutung sind dabei Maßnahmen, welche die Kamera vor Blendung, Überbelichtung, etc. schützen.One important aspect of such systems is that of the camera taken pictures under different conditions like daylight, at night or dusk or under special weather conditions sufficient for the application quality have to have in particular be evaluated. Of particular importance are measures that the camera before Glare, overexposure, etc. protect.

Darüber hinaus besteht jedoch auch die Anforderung, für die unterschiedlichen Funktionalitäten unterschiedliche Bildbereiche mit teilweise sehr verschiedenen Helligkeitswerten auswerten zu können, so dass es erforderlich ist, die existierenden Sensoreinrichtungen hinsichtlich der erreichbaren Dynamik sowohl zwischen unterschiedlichen Bildern als auch zwischen verschiedenen Bereichen innerhalb eines Bildes zu verbessern.Furthermore However, there is also a requirement for different functionalities Image areas with partly very different brightness values to evaluate, so that it is necessary, the existing sensor devices in terms of achievable dynamics both between different Images as well as between different areas within an image to improve.

Aus der DE 10 2004 061 334 A1 ist eine Sensoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bekannt geworden. Bei dieser Sensoreinrichtung wird einem Bildsensor eingangsseitig ein Element mit steuerbarer Lichttransmission zugeordnet. Dabei kann das Element aus mehreren Zellen bestehen, die individuell steuerbar sind und einem oder mehreren Bildsensorpixeln zugeordnet sind. In einer speziellen Ausführungsform soll dieses Element mit steuerbarer Lichttransmission auch direkt auf dem Bildsensor aufgebracht sein.From the DE 10 2004 061 334 A1 a sensor device has become known according to the preamble of the main claim. In this sensor device, an image sensor on the input side is assigned an element with controllable light transmission. In this case, the element may consist of a plurality of cells which are individually controllable and associated with one or more image sensor pixels. In a special embodiment, this element should also be applied directly to the image sensor with controllable light transmission.

Eine praktische Realisierung einer Sensoreinrichtung mit einem direkt auf dem Bildsensor aufgebrachten Element mit steuerbarer Lichttransmission ist in dieser Veröffentlichung jedoch nicht aufgezeigt.A practical realization of a sensor device with a direct on the image sensor applied element with controllable light transmission is in this publication but not shown.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach und kostengünstig zu realisierende technische Ausführung für eine solche Einrichtung anzugeben.Of the The present invention is therefore based on the object, a simple and inexpensive too realizing technical design for one specify such a facility.

Eine Ausführung einer Sensoreinrichtung, die diesen Anforderungen genügt, ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass das Element mit steuerbarer Lichttransmission einen ersten und einen zweiten Polarisationsfilter sowie ein zwischen diesen angeordnetes Flüssigkristall-Element umfasst, und dass der zwischen den Wandlerelementen und dem Flüssigkristall-Element angeordnete, zweite Polarisationsfilter durch eine auf dem Sensorchip direkt aufgebrachte, in Form paralleler Streifen strukturierte, elektrisch leitfähige Schicht gebildet ist.A execution a sensor device that meets these requirements, is according to the invention thereby allows that the element with controllable light transmission a first and a second polarizing filter and an interposed therebetween Liquid crystal element and that between the transducer elements and the liquid crystal element arranged, second polarizing filter by a on the sensor chip directly applied, structured in the form of parallel stripes, electrically conductive Layer is formed.

Aus dem Bereich der Lichtprojektion sind neue Technologien bekannt, die ein wegen seiner Funktion auch als Lichtventil bezeichnetes Element direkt auf einen Silizium-Träger applizieren. Es handelt sich bei diesem Element um ein Flüssigkristall-Display. Bei dieser auch als LCOS (Liquid Crystal On Silicon) bezeichneten Technologie fungiert der Silizium-Chip gleichzeitig als Träger, Steuereinheit und Spiegel für die Projektionseinheit. Eine auf die Oberfläche der Einheit applizierte Polarisationsfolie wird durch die Spiegelung am Silizium zweimal durchlaufen und dient somit sowohl als Eingangs- als auch als Ausgangspolarisator des Lichtventils.Out In the field of light projection, new technologies are known the one because of its function as a light valve designated Apply element directly to a silicon substrate. It deals this element is a liquid crystal display. At this also referred to as LCOS (Liquid Crystal On Silicon) technology At the same time, the silicon chip acts as a carrier, control unit and mirror for the Projection unit. One applied to the surface of the unit Polarization film is reflected twice by the reflection on the silicon traverses and thus serves both as an input and as a Ausgangspolarisator of the light valve.

Die vorliegende Erfindung macht sich die Grundlagen dieser Technologie zunutze. Es ist nämlich bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung vorgesehen, den in bekannter CMOS-Technik vorliegenden Siliziumchip, der an seiner Oberfläche eine ein- oder zweidimensionale Anordnung einer Vielzahl von einzelne Bildpunkte bildenden Photodioden aufweist, mit einer in dieser LCOS-Technologie auf das Silizium aufgebrachten Lage an Lichtventilen zu überlagern, so dass die Lichtventile eine an der Photodiodenmatrix ausgerichtete zweite Matrix bilden, deren Elemente einzelne Photodioden oder Photodiodengruppen überdecken.The The present invention lays the foundations of this technology advantage. It is provided in the sensor device according to the invention, the present in known CMOS technology silicon chip, the its surface a one- or two-dimensional arrangement of a plurality of individual Having pixel-forming photodiodes, with one in this LCOS technology to superimpose on the silicon applied layer of light valves, such that the light valves are aligned with the photodiode array form second matrix whose elements cover individual photodiodes or photodiode groups.

Da das Licht bei dem erfindungsgemäßen Aufbau eines Sensorchips, anders als bei den beschriebenen, typischen LCOS Anwendungen, nur einmal durch das Flüssigkristall-Element tritt, muss sich auf beiden Seiten dieses Elements ein Polarisationsfilter befinden. Während dabei der erste, äußere Polarisationsfilter eine normale Polarisationsfolie sein kann, muss sich der zweite, innere Polarisationsfilter fertigungstechnisch in die Herstellungsprozesse des Siliziumchips einfügen lassen.There the light in the structure according to the invention a sensor chip, unlike the described typical LCOS Applications, only once through the liquid crystal element occurs, must be a polarizing filter on both sides of this element are located. While while the first, outer polarizing filter may be a normal polarizing film, the second, internal polarization filter manufacturing technology in the manufacturing processes of the silicon chip to let.

Dies ist bei der hier vorgeschlagenen Ausführung des zweiten Polarisationsfilters der Fall. Die Applikation der elektrisch leitfähigen Schicht, bei der es sich vorzugsweise um eine Metallschicht oder eine Halbleiterschicht handelt, ist ebenso wie ihre gleichzeitige oder nachfolgende Strukturierung mit dem Herstellungsprozess des Halbleiterchips voll kompatibel und somit vollständig in einen üblichen Fertigungsvorgang der Halbleitertechnik integrierbar.This is in the case proposed here guide the second polarizing filter of the case. The application of the electrically conductive layer, which is preferably a metal layer or a semiconductor layer, as well as its simultaneous or subsequent structuring with the manufacturing process of the semiconductor chip is fully compatible and thus completely integrated into a conventional manufacturing process of semiconductor technology.

Der solchermaßen aufgebaute Polarisator wirkt als Hertzsches Gitter, welches nur diejenige Polarisationskomponente des auftreffenden Lichts passieren lässt, die senkrecht zu der Längserstreckung der Streifenstruktur ausgerichtet ist.Of the thus constructed polarizer acts as a hertzian grid, which only pass that polarization component of the incident light leaves, perpendicular to the longitudinal extent of the Strip structure is aligned.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.following the invention with reference to an embodiment with reference on the attached Drawing explained.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung im Bereich eines Wandlerelements (Pixel) 1 : a longitudinal section through a sensor device according to the invention in the region of a transducer element (pixel)

2: eine eingangsseitige Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung im Bereich eines Wandlerelements vor Aufbringung des Flüssigkristall-Elements 2 an input-side view of a sensor device according to the invention in the region of a transducer element before application of the liquid crystal element

Wie in der Zeichnung insbesondere in 1 zu erkennen ist, ist in dem Silizium-Substrat 1 die Photodiode 2 erzeugt. Eine erste Verdrahtungsschicht 3 aus polykristallinem Silizium überdeckt das Substrat 1 und die Photodiode 2. Eine weitere Verdrahtungsschicht 5 aus Aluminium, die von Passivierungsschichten 4 ober- und unterseitig bedeckt ist, bildet die nächste funktionale Lage. Durch diese Aluminium-Verdrahtungsschicht 5 wird, wie im Weiteren noch erläutert wird, der wichtige zweite Polarisationsfilter 6 gebildet. Die nächste Schicht enthält das Flüssigkristall-Element 8, welches genau über der Photodiode positioniert ist. Der Raum zwischen den einzelnen Flüssigkristall-Elementen 8, die ja in einer zweidimensionalen Matrix entsprechend der Anordnung der Photodioden 2 angeordnet sind, wird von einer Abstandshalterschicht 7 aufgefüllt. Die Abstandshalterschicht 7 mit den darin befindlichen Flüssigkristall-Elementen 8 wird abgedeckt durch ein Abdeckglas 10, welches auf seiner dem Sensorchip zugewandten Innenseite eine optisch transparente Metallisierungsschicht 9 trägt, die als obere Ansteuerelektrode für das Flüssigkristall-Element 8 dient. Auf dem Abdeckglas 10, das das Halbleiterbauelement abschließt und schützt, ist als letzte Schicht eine Polarisationsfolie aufgebracht, die den ersten Polarisationsfilter 11 bildet.As in the drawing, in particular in 1 It can be seen in the silicon substrate 1 the photodiode 2 generated. A first wiring layer 3 made of polycrystalline silicon covers the substrate 1 and the photodiode 2 , Another wiring layer 5 made of aluminum, by passivation layers 4 covered on top and bottom, forms the next functional location. Through this aluminum wiring layer 5 is, as will be explained below, the important second polarization filter 6 educated. The next layer contains the liquid crystal element 8th , which is positioned exactly above the photodiode. The space between the individual liquid crystal elements 8th , which in a two-dimensional matrix according to the arrangement of the photodiodes 2 are arranged by a spacer layer 7 refilled. The spacer layer 7 with the liquid crystal elements therein 8th is covered by a cover glass 10 , which on its side facing the sensor chip inside an optically transparent metallization 9 carries, as the upper drive electrode for the liquid crystal element 8th serves. On the cover glass 10 , which terminates and protects the semiconductor device, is applied as a last layer, a polarizing film comprising the first polarizing filter 11 forms.

Der zweite Polarisationsfilter 6 zwischen Flüssigkristall-Element 8 und Photodiode 2 wird daher als sogenannter Wireplate-Polarisator ausgeführt. Dazu wird die Aluminium-Verdrahtungsschicht 5 des Siliziumchips oberhalb der Photodiode 2 in Form dünner paralleler Aluminiumdrähte 6' strukturiert. Die Breite und der Abstand dieser Aluminiumdrähte zueinander sind dabei jeweils geringer als ein Mikrometer. Diese dünne Micro-Draht-Struktur des Polarisationsfilters 6 wird außerhalb der Photodiode 2 elektrisch zusammengefasst und dient gleichzeitig auch als untere Ansteuerelektrode des Flüssigkristall-Elements 8.The second polarization filter 6 between liquid crystal element 8th and photodiode 2 is therefore designed as a so-called wireplate polarizer. This is done by the aluminum wiring layer 5 of the silicon chip above the photodiode 2 in the form of thin parallel aluminum wires 6 ' structured. The width and the distance of these aluminum wires to each other are each less than a micrometer. This thin micro-wire structure of the polarizing filter 6 will be outside the photodiode 2 electrically combined and also serves as the lower drive electrode of the liquid crystal element 8th ,

Die Ansteuerungslogik der Lichtventile, also der Elemente mit steuerbarer Lichttransmission, ist mit auf dem Siliziumsubstrat 1 des Sensorchips untergebracht, so dass eine Belichtungsanforderung für den gesamten Sensorchip für jede einzelne Photodiode 2 bzw. für aus mehreren Photodioden 2 gebildete sogenannte Pixelgruppen in eine Kombination aus Belichtungszeit der Photodiode 2, Verstärkungsfaktor des nachgeschalteten Verstärkers und Transmissionsgrad des Lichtventils aufgeteilt werden kann. Die so erreichbare Dynamik einer Photodiode 2 liegt dadurch um die durch die Lichtventile realisierbare Transmissionsvariation höher als bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren.The control logic of the light valves, so the elements with controllable light transmission, is on with the silicon substrate 1 housed the sensor chip, so that an exposure request for the entire sensor chip for each photodiode 2 or for several photodiodes 2 formed so-called pixel groups in a combination of exposure time of the photodiode 2 , Amplification factor of the downstream amplifier and transmittance of the light valve can be divided. The achievable dynamics of a photodiode 2 As a result, the transmission variation achievable by the light valves is higher than in conventional CMOS image sensors.

Claims (5)

Photoelektrische Sensoreinrichtung umfassend einen Sensorchip mit einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung einer Vielzahl von einzelne Bildpunkte bildenden, photoelektrischen Wandlerelementen sowie ein unmittelbar auf dem Sensorchip aufgebrachtes Element mit steuerbarer Lichttransmission zum Steuern der Belichtung einzelner und/oder von Gruppen von Wandlerelemente(n), dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit steuerbarer Lichttransmission einen ersten und einen zweiten Polarisationsfilter (11, 6) sowie ein zwischen diesen angeordnetes Flüssigkristall-Element (8) umfasst, und dass der zwischen den Wandlerelementen und dem Flüssigkristall-Element (8) angeordnete, zweite Polarisationsfilter (6) durch eine auf dem Sensorchip direkt aufgebrachte, in Form paralleler Streifen strukturierte, elektrisch leitfähige Schicht (5) gebildet ist.Photoelectric sensor device comprising a sensor chip with a one- or two-dimensional arrangement of a plurality of individual image-forming, photoelectric transducer elements and an applied directly on the sensor chip element with controllable light transmission for controlling the exposure of individual and / or groups of transducer elements (n), characterized in that the element with controllable light transmission comprises a first and a second polarization filter ( 11 . 6 ) and a liquid crystal element ( 8th ) and that between the transducer elements and the liquid crystal element ( 8th ), second polarizing filters ( 6 ) by a directly applied on the sensor chip, in the form of parallel strips structured, electrically conductive layer ( 5 ) is formed. Photoelektrische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip ein CMOS-Chip ist und dass die photoelektrischen Wandlerelemente frei adressierbare und auslesbare Photodioden (2) sind.Photoelectric sensor device according to claim 1, characterized in that the sensor chip is a CMOS chip and that the photoelectric converter elements freely addressable and readable photodiodes ( 2 ) are. Photoelektrische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polarisationsfilter (6) als Wireplate-Polarisator ausgebildet ist, der aus parallel verlaufenden und äquidistant angeordneten Aluminiumleitern (6') mit einer Breite geringer als ein Mikrometer besteht.Photoelectric sensor device according to claim 1 or 2, characterized in that the second polarization filter ( 6 ) is formed as a wire plate polarizer consisting of parallel and equidistantly arranged aluminum conductors ( 6 ' ) with a width less than a micrometer. Photoelektrische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polarisationsfilter (11) durch eine auf einem das Flüssigkristall-Element (8) abschließenden Abdeckglas (10) aufgebrachte Polarisationsfolie gebildet ist.Photoelectric sensor device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first polarizing filter ( 11 ) by a liquid crystal element on one ( 8th ) final cover glass ( 10 ) is applied polarizing film is formed. Photoelektrische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit steuerbarer Lichttransmission eine an der ersten, ein- oder zweidimensionalen Anordnung der photoelektrischen Wandlerelemente ausgerichtete zweite Anordnung bildet, deren einzelne Elemente einzelne Photodioden (2) und/oder Gruppen von Photodioden (2) überdecken.Photoelectric sensor device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the element with controllable light transmission forms a second arrangement aligned with the first, one- or two-dimensional arrangement of the photoelectric transducer elements, the individual elements of which comprise individual photodiodes ( 2 ) and / or groups of photodiodes ( 2 cover).
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