DE102010021819B4 - Detektor-Modul und höchstauflösender Satellit - Google Patents

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Detektor-Modul (1), umfassend einen Multichip-Träger (4), wobei auf dem Multichip-Träger (4) mindestens ein TDI-CCD-Detektor (2) und mindestens ein CMOS-Chip (3) angeordnet sind, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei der CMOS-Chip (3) mindestens die digitale Ausgangselektronik für den TDI-CCD-Detektor (2) umfasst, wobei der Multichip-Träger (4) aus einer Aluminiumnitrid- und einer Aluminiumoxid-Keramik (5, 6) besteht, wobei der TDI-CCD-Detektor (2) auf der Aluminiumnitrid-Keramik (5) und der CMOS-Chip (3) auf der Aluminiumoxid-Keramik (6) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Detektor-Modul mit einem TDI-CCD-Detektor und CMOS-Clip sowie einem höchstauflösenden Satelliten mit einem solchen Detektor-Modul.
  • Derzeit sind Detektoren und Sensoren bekannt, die mit Hilfe von Zeilen und/oder Matrizen aus dem Orbit die Erde abtasten. Mit Hilfe derartiger Detektoren und Sensoren ist man in der Lage, in verschiedenen spektralen oder panchromatischen Wellenlängen die Erde abzutasten. Diese Detektoren können sowohl in einem normalen Aufnahmemode als auch in einem TDI-Mode arbeiten. Bei einem TDI-Mode (Time Delay Integration) wird eine TDI-Stufen-Szene mehrfach entsprechend der Anzahl der Stufen aufgenommen, wobei die Ladungspakete der einzelnen Stufen synchron mit der Bewegung zur nächsten Zeile verschoben werden. Dabei gilt, dass bei gleich bleibend angenommener Geschwindigkeit des Satelliten die Zeilenrate erhöht werden muss, um die geometrische Auflösung zu erhöhen. Bei den bekannten TDI-CCD-Detektoren stößt eine Erhöhung der Zeilenrate an Grenzen, da die anfallenden Datenmengen nicht mehr schnell genug ausgelesen und verarbeitet werden können.
  • Alternativ sind CMOS-Detektoren bekannt, die immer mehr die analogen CCD-Detektoren verdrängen. Insbesondere jedoch bei schnell fliegenden Satelliten sind CMOS-Detektoren den TDI-CCD-Detektoren unterlegen, da die Anzahl der Ausleseelektroniken begrenzt ist und der Ladungstransport diskontinuierlich durchgeführt wird. Bei derartigen Aufgabenstellungen, wo die MTF (Modulations-Transfer-Funktion) des optischen Gesamtsystems optimiert werden soll, muss daher weiter auf TDI-CCD-Sensoren mit kontinuierlichem Transport der Ladungsströme zurückgegriffen werden.
  • Aus der DE 10 2008 024 417 B3 ist ein TDI-Zeilendetektor bekannt, umfassend n TDI-Zeilen, wobei jede TDI-Zeile m Pixel aufweist, wobei mindestens einer äußeren Zeile eine Auslese-Registereinheit zugeordnet ist, wobei jedem Pixel der ersten und/oder n-ten Zeile ein eigenes Register zugeordnet ist, wobei die Maskierung eine Breite von einem Pixel oder einem ganzzahligen Vielfachen eines Pixels aufweist, wobei die Register der Pixel entsprechend der Breite der Maskierungen verbreitert sind. Hierdurch kann die Lastkapazität der Register entsprechend vergrößert werden. Andererseits kann die Auslesegeschwindigkeit der einzelnen Zeile reduziert werden. Dies wird allerdings durch einen Informationsverlust erkauft, der aber durch eine Detektoranordnung mit mindestens zwei solcher TDI-Zeilendetektoren kompensiert werden kann. Voraussetzung ist allerdings, dass das Satellitensystem in der Lageorientierung über alle in einem solchen Interlace-Prinzip arbeitenden Zeilen die „Line of Sight“-Anforderung von besser 1/3 Pixel halten muss. Dies kann derzeit für höchstauflösende Satelliten nicht gewährleistet werden.
  • Aus der JP 2004 006 564 A ist ein Detektormodul bekannt, umfassend einen Multiclip-Träger aus Keramik, auf dem ein digitaler Logik-Clip mittels eines wärmeleitfähigen Klebers aufgebracht ist. Auf dem digitalen Logik-Clip ist ein CCD-Detektor angeordnet, der wie der digitale Logik-Chip über Bonddrähte mit dem Multichip-Träger verbunden ist.
  • Aus Hamamatsu Photonics K.K.: „TDI Camera C100000-301, -401“, Japan 2008 - Firmenschrift, ist eine TDI-Kamera mit einem internen digitalen Signalprozessor bekannt, um Abschattungen in Echtzeit zu korrigieren.
  • Aus der US 2004 / 0 263 671 A1 ist eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung bekannt, umfassend eine Festkörper-Abbildungseinrichtung mit einer Vorderseiten- und einer Rückseitenfläche und mit Elektroden auf einem peripheren Bereich seiner Vorderseitenfläche sowie einem bloßen IC, welcher als die peripheren Schaltkreise der Festkörper-Abbildungseinrichtung dient, wobei der bloße IC mittels eines Klebstoffs direkt an der Rückseitenfläche der Festkörper-Abbildungseinrichtung angeklebt ist.
  • Aus der US 2010 / 0 116 999 A1 ist ein Detektor-Modul bekannt, umfassend einen TDI-CCD-Detektor, einen ASIC sowie einen weiteren Chip, die übereinander über Bumps miteinander verbunden sind, wobei der weitere Chip mit einem Multichip-Träger verbunden ist, der als Leiterplatte oder als Keramik ausgebildet sein kann. Dabei können TDI-CCD-Detektor und ASIC in unterschiedlichen Technologien hergestellt werden.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Detektor-Modul zu schaffen, das für höchstauflösende Satelliten geeignet ist, sowie einen höchstauflösenden Satelliten mit einem solchen Detektor-Modul zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Gegenständen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst das Detektor-Modul einen Multichip-Träger, wobei auf dem Multichip-Träger mindestens ein TDI-CCD-Detektor und mindestens ein CMOS-Chip angeordnet sind, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei der CMOS-Chip mindestens die digitale Ausgangselektronik für den TDI-CCD-Detektor umfasst. Hierdurch kann weiterhin auf die bekannten Vorteile der TDI-CCD-Detektoren zurückgegriffen werden, die in NMOS-Technologie hergestellt werden.
  • Die digitale Ausgangselektronik mit den analogen Signalprozessen bzw. Analog-Digital-Wandlern sowie den Multiplexern ist in CMOS-Technologie realisiert, d.h. es kann auf die Technologie hochintegrierter schneller A/D-Wandler in CMOS zurückgegriffen werden, für die das Auslesen der Schieberegister des TDI-CCD-Detektors von der Taktfrequenz her kein Problem darstellt. Somit können ohne Weiteres Zeilenraten von 50 - 150 kHz mit 30.000 - 40.000 Pixeln realisiert werden, was einer Taktfrequenz von 60 GHz entspräche. Durch Aufteilung auf mehrere Schieberegister im TDI-CCD-Teil sowie mehrere A/D-Wandler im CMOS-Teil kann die nötige Taktfrequenz entsprechend reduziert werden.
  • Dabei besteht der Multichip-Träger aus einer Aluminiumnitrid- und einer Aluminiumoxid-Keramik, wobei der TDI-CCD-Detektor auf der Aluminiumnitrid-Keramik und der CMOS-Chip auf der Aluminiumoxid-Keramik angeordnet ist. Dies bewirkt eine gute thermische Entkopplung des TDI-CCD-Teils vom CMOS-Teil, da Aluminiumnitrid eine ca. um den Faktor 10 höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Aluminiumoxid. Daher wird Wärme vom Oxid aufgrund des CMOS-Teils weniger stark ins Nitrid gekoppelt. Andererseits weisen die beiden Keramiken einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Silizium auf, sodass es zu keinen thermischen Spannungen kommt.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind der TDI-CCD-Detektor und der CMOS-Chip mittels Flip-Chip-Technik und/oder Bonddrähten verbunden, wobei vorzugsweise Bonddrähte wegen der geringeren Wärmekopplung über die Bonddrähte zur Anwendung kommen, was die thermische Entkopplung weiter unterstützt.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind auf dem Multichip-Träger weitere Standard-ICs angeordnet. Beispielsweise können die Leitungstreiber für den TDI-CCD-Detektor als separate Standard-ICs ausgebildet sein. Diese werden vorzugsweise auch auf dem Aluminiumoxid angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist auf dem Multichip-Träger mindestens ein Kondensator zur Spannungsversorgung und/oder -stabilisierung angeordnet, insbesondere um die Stromspitzen der Leitungstreiber zu puffern.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Detektor-Modul mindestens einen Massenspeicher, der in dem CMOS-Chip integriert ist oder als separater IC-Baustein auf dem Multichip-Träger angeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Detektor-Modul mindestens eine Datenkomprimierungseinheit, die in den CMOS-Chip integriert ist oder als separater IC-Baustein auf dem Multichip-Träger angeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist im CMOS-Chip eine Zustandsmaschine für die Erzeugung der Steuersignale für den TDI-CCD-Detektor und/oder den CMOS-Chip integriert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 eine schematische Anordnung eines Detektor-Moduls und
    • 2 eine schematische Darstellung des unbestückten Multichip-Trägers.
  • Das Detektor-Modul 1 umfasst einen in NMOS-Technik aufgebauten TDI-CCD-Detektor 2 und einen CMOS-Chip 3, die auf einem gemeinsamen Multichip-Träger 4 angeordnet sind. Der Multichip-Träger 4 ist in 2 schematisch dargestellt und umfasst eine Aluminiumnitrid-Keramik 5 und eine Aluminiumoxid-Keramik 6. Die Aluminiumoxid-Keramik 6 weist dabei eine Aussparung auf, in der die Aluminiumnitrid-Keramik 5 angeordnet ist. Die beiden Keramiken 5, 6 sind beispielsweise verklebt und/oder verschraubt und/oder verlötet. Dabei ist der TDI-CCD-Detektor 2 auf der Aluminiumnitrid-Keramik 5 und der CMOS-Chip 3 auf der Aluminiumoxid-Keramik 6 aufgebracht.
  • Der TDI-CCD-Detektor 2 umfasst k-Zeilen mit jeweils n Pixeln, wobei k beispielsweise zwischen 100 - 1.000 und n beispielsweise zwischen 30.000 - 40.000 liegt. Am Ausgang der k-ten Zeile sind für die n-Pixel Register in Form von i Schieberegistern 7 angeordnet, d.h. jeweils n/i Pixel der k-ten Zeile schreiben parallel ihre Daten in ein Schieberegister 7, das dann seriell über eine Auskoppeldiode 8 mit Ausgangsverstärker ausgelesen werden kann.
  • Der CMOS-Chip 3 umfasst i A/D-Wandler 9, die elektrisch jeweils mit einer zugeordneten Auskoppeldiode 8 mit Ausgangsverstärkern verbunden sind. Des Weiteren umfasst der CMOS-Chip 3 einen oder mehrere Multiplexer 10, die Daten des TDI-CCD-Detektors 2 in einen seriellen Datenstrom 11 umwandeln. Dieser Datenstrom 11 kann in einem nicht dargestellten Massenspeicher abgelegt oder direkt beispielsweise über eine nicht dargestellte Sendeeinrichtung übertragen werden.
  • Vorzugsweise umfasst der CMOS-Chip 3 weiter einen Zustandsautomaten, der die Steuersignale, insbesondere die Taktsignale für den TDI-CCD-Detektor 2 und die Komponenten des CMOS-Chips 3, erzeugt.
  • Weiter sind der CMOS-Chip 3 und der TDI-CCD-Detektor 2 über gemeinsame verteilte Masseverbindungen 12 miteinander verbunden.
  • Auf dem Multichip-Träger 4 sind weiter Leitungstreiber 13 für den TDI-CCD-Detektor 2 angeordnet, die als separate Standard-ICs ausgebildet sind. Die Leitungstreiber 13 sind dabei auch auf der Aluminiumoxid-Keramik 6 angeordnet. Prinzipiell ist es auch möglich, die Leitungstreiber 13 in den CMOS-Chip 3 zu integrieren. Die Leitungstreiber 13 sind einerseits mit dem TDI-CCD-Detektor 2 verbunden, um die Zeilen zu treiben, und andererseits mit dem CMOS-Chip 3 verbunden, von dem diese ihre Ansteuersignale erhalten. Vorzugsweise erfolgt auch eine Masseverbindung über den CMOS-Chip 3.
  • Weiter kann auf dem CMOS-Chip 3 eine Datenkomprimierungseinheit angeordnet sein, die den seriellen Datenstrom 11 vor der Übertragung von der Sendeeinheit oder Abspeicherung im Massespeicher komprimiert.
  • Weiter sind vorzugsweise auch Kondensatoren zur Spannungsversorgung und/oder -unterstützung für den TDI-CCD-Detektor 2, den CMOS-Chip 3 und die Leitungstreiber 13 auf dem Multichip-Träger 4 angeordnet.
  • Mit Hilfe dieses Prinzips können Zeilen beliebiger Länge mit k TDI-Stufen angesteuert und ausgelesen werden. Diese hohe Integrationsdichte führt zu einer zusätzlichen Optimierung hinsichtlich der Verlustleistung.

Claims (9)

  1. Detektor-Modul (1), umfassend einen Multichip-Träger (4), wobei auf dem Multichip-Träger (4) mindestens ein TDI-CCD-Detektor (2) und mindestens ein CMOS-Chip (3) angeordnet sind, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei der CMOS-Chip (3) mindestens die digitale Ausgangselektronik für den TDI-CCD-Detektor (2) umfasst, wobei der Multichip-Träger (4) aus einer Aluminiumnitrid- und einer Aluminiumoxid-Keramik (5, 6) besteht, wobei der TDI-CCD-Detektor (2) auf der Aluminiumnitrid-Keramik (5) und der CMOS-Chip (3) auf der Aluminiumoxid-Keramik (6) angeordnet ist.
  2. Detektor-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der TDI-CCD-Detektor (2) und der CMOS-Chip (3) mittels Flip-Chip-Technik und/oder Bonddrähte miteinander verbunden sind.
  3. Detektor-Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Multichip-Träger (4) weitere Standard-ICs angeordnet sind.
  4. Detektor-Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungstreiber (13) für den TDI-CCD-Detektor (2) als separate Standard-ICs ausgebildet sind.
  5. Detektor-Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Multichip-Träger (4) mindestens ein Kondensator zur Spannungsversorgung und/oder -stabilisierung angeordnet ist.
  6. Detektor-Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Modul (1) mindestens einen Massenspeicher umfasst, der in den CMOS-Chip (3) integriert ist oder als separater IC-Baustein auf dem Multichip-Träger (4) angeordnet ist.
  7. Detektor-Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Modul (1) mindestens eine Datenkomprimierungseinheit umfasst, die in den CMOS-Chip (3) integriert ist oder als separater IC-Baustein auf dem Multichip-Träger (4) angeordnet ist.
  8. Detektor-Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im CMOS-Chip (3) eine Zustandsmaschine für die Erzeugung der Steuersignale für den TDI-CCD-Detektor (2) und/oder den CMOS-Chip (3) integriert ist.
  9. Höchstauflösender Satellit mit einem Detektor-Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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HAMAMATSU PHOTONICS K.K.: "TDI Camera C10000-301,-401", Japan, 2008 - Firmenschrift *

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