DE102017213480A1

DE102017213480A1 - Sensor-Chip für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017213480A1
Application number: DE102017213480.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfang Fey; Wilfried Mehr; Maier Theodor
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2019-02-07
Also published as: WO2019024965A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor-Chip für ein Kraftfahrzeug, wobei der Sensor-Chip als ein monolithisches Halbleiter-Substrat ausgebildet ist und der Sensor-Chip umfasst: eine Detektorfeldeinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln; und eine Ausleseschaltungseinrichtung (20), welche dazu ausgelegt ist, das von der Detektorfeldeinrichtung bereitgestellte Sensorsignal aufzubereiten und in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Umfeldsensoren für Fahrerassistenzsysteme, etwa einen Sensor- oder Detektor-Chip für Flash Lidar Anwendungen bzw. Scananwendungen im Kraftfahrzeuge.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor- bzw. Detektor-Chip für ein Kraftfahrzeug, wobei der Sensor-Chip als ein monolithischer Halbleiterchip bzw. ein monolithisches Halbleiter-Substrat ausgebildet ist.
Technischer Hintergrund
Sensor- oder Detektor-Chips für Flash Lidar Anwendungen für Kraftfahrzeuge werden heutzutage in der Hybridtechnik ausgebildet, bei welcher unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet werden. Insbesondere beim Einsatz von Sensoren ist es häufig erforderlich, andere Materialien oder alternative Materialien zu Silizium-basierten Materialsystemen zu verwenden.
Beispielsweise können Galliumarsenid oder Indiumphosphid oder Germanium-basierte Sensoren mit einer Ausleseschaltung basierend auf Silizium oder CMOS-Technik kombiniert werden.
Für Infrarot Detektoren im Bereich der Kraftfahrzeuge werden beispielsweise Indiumgalliumphosphid, InGaP-Detektoren mit einer Silizium-basierten Ausleseschaltung verbunden.
Dieses Hybridisieren von zwei unterschiedlichen Materialsystemen entspricht eines Zusammenklebens mittels eines Verbindungselements. Das Hybridisieren stellt einen fehleranfälligen und aufwendigen Prozessschritt dar. Ferner sind Indiumgalliumphosphid (InGaP)-basierte Sensoren aufgrund des Materials teuer.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Sensor-Chip für Scansysteme, etwa Flash Lidar Anwendungen, für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Als Scansysteme wird dabei jegliches zeilen- oder rasterartige Überstreichen bzw. flächiges beleuchten von Oberflächen oder Körpern mit einem Laserstrahl bezeichnet, um diese zu vermessen oder um ein Bild zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Sensor-Chip für ein Kraftfahrzeug implementiertes Scansystem, wobei der Sensor-Chip als ein monolithisches Halbleiter-Substrat ausgebildet ist und der Sensor-Chip umfasst: eine Detektorfeldeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln; und eine Ausleseschaltungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das von der Detektorfeldeinrichtung bereitgestellte Sensorsignal aufzubereiten und in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, eine monolithische Ein-Chip-System-Lösung bereitzustellen, dies beinhaltet die Integration aller benötigten Funktionen eines bildgebenden Sensors auf einem Chip, mit anderen Worten ausgedrückt die Integration von einem flächigen in Feldgeometrie ausgedehnten Bildsensor mit einer zugehörigen Ausleseschaltung bzw. einer Ausleseelektronik.
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung die Nutzung von Silizium als Basismaterial sowohl für den Detektor als auch die Ausleseelektronik. Dabei ist der Sensor auf der Vorderseite und die Ausleseschaltung bzw. Ausleseelektronik auf Vorder- und Rückseite des Ein-Chip-Systems integriert.
Dies ermöglicht vorteilhaft, alle Funktionen und benötigten integrierten Schaltungen auf einem einzigen monolithischen Chip zu vereinigen. Dabei können sowohl Sensorfunktionseinheiten als auch digitale, analoge oder sonstige Auswertefunktionseinheiten auf dem Chip integriert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Patentansprüche definiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 800 nm oder bevorzugt von mehr als 900 nm oder besonders bevorzugt von mehr als 1000 nm oder ganz besonders bevorzugt von mehr als 1300 nm oder höchst bevorzugt von mehr als 1500 nm in ein Sensorsignal zu wandeln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausleseschaltungseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit-Analyse von zurückgestreuten Laser-Signalen durchzuführen und basierend auf der Laufzeit-Analyse eine Distanzmessung durchzuführen.
Dabei kann der Kamera-Chip mit einer Laserquelle gekoppelt werden, welche Lasersignale erzeugt, welche Laserlicht aussendet, welches von der Umgebung des Kraftfahrzeugs zurückgestreut wird, und basierend auf diesen zurückgestreuten Lasersignalen kann eine Laufzeitanalyse und somit eine optische Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessungen von Objekten in der Umgebung des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden.
Solch als LIDAR bezeichneten Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessungen, Abkürzung für englisch: Light Detection and Ranging, können somit ortsaufgelöst mit einem flächigen Bildsensor durchgeführt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung ein Feld von Single-Photon-Avalanche-Dioden und/oder ein Feld von pin-Dioden und/oder ein Feld von MEMS-basierten Infrarotsensoren umfasst. Dabei bezeichnet die Abkürzung pin-Diode ein elektrisches Bauelement, welches ähnlich einer pn-Diode aufgebaut ist, wobei zwischen der p- und n-dotierten Schicht zusätzlich eine schwach oder undotierte Schicht, abgekürzt i- für Englisch intrinsic-Schicht vorhanden ist. Diese Schicht ist lediglich intrinsisch, das heißt eigenleitend, und wird daher i-Schicht genannt.
Die Abkürzung MEMS bezeichnet „Microelectromechanical Systems“ als englischen Begriff und beschreibt eine miniaturisierte Baugruppe oder Bauteil, dessen Abmessungen im Mikrometerbereich sind. Dabei kann ein thermischer oder Infrarotsensor realisiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung aus Silizium als Basismaterial hergestellt ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Detektorfeldeinrichtung umfasst Silizium oder ist als Silizium-basierte Elektronik mit weiteren Dotiermaterialien ausgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausleseschaltungseinrichtung aus Silizium hergestellt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschaltungseinrichtung auf der gegenüberliegenden Seite desselben monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung und die Ausleseschaltungseinrichtung auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschaltungseinrichtung die Detektorfeldeinrichtung zumindest teilweise umschließt.
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der Erfindung.
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines herkömmlichen in hybrider Bauweise realisierten Kamerasensors für ein Kraftfahrzeug zur Erläuterung der Erfindung;
2: eine schematische Darstellung eines Kamera-Chips gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3: eine schematische Darstellung eines Kamera-Chips gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Umfeldsensoren zählen zu den wichtigsten Komponenten, um autonom fahrende Fahrzeuge zu realisieren.
Um ein verlässliches Umfeldmodell basierend auf den Informationen des Sensor-Chips zu erstellen, benötigt man verschiedene Informationen, wie zu anderen Verkehrsteilnehmern, zu statischen Objekten wie Fahrbahnbegrenzungen, zur eigenen hochgenauen Position und zur Verkehrssteuerung. Ziel ist es, ein dem Menschen gleichwertiges oder besseres Verständnis des Fahrzeugumfeldes zu ermöglichen.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen in hybrider Bauweise ausgebildeten Bildsensors für ein Kraftfahrzeug.
Der Sensor 10-A und die zugehörige Ausleseelektronik 20-A sind auf unterschiedlichen Substraten ausgebildet. Der Sensor ist beispielsweise auf einem Indiumgalliumphosphid-Substrat ausgebildet und die Ausleseelektronik bzw. die Ausleseschaltung ist in Silizium- oder CMOS-Technik gefertigt.
Dies erfordert eine Verbindung einer Hybridisierung bzw. ein Verkleben der beiden unterschiedlichen Materialsysteme mittels Verbindungselementen 30-A.
Die 2 zeigt einen Sensor-Chip für ein Kraftfahrzeug auf einem monolithischen Halbleiter-Substrat.
Die 2 zeigt beispielsweise eine Seite des monolithischen Halbleiter-Substrats, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, wobei eine zweidimensionale Bildsensor- bzw. eine Detektorfeldeinrichtung 10 ausgebildet ist, welche einen zweidimensionalen bildgebenden Sensor umfasst.
Beispielsweise ist der Bildsensor dazu ausgelegt, Infrarotstrahlung in ein Sensorsignal zu wandeln.
Der Kamera-Chip 1 umfasst eine Detektorfeldeinrichtung 10 und eine Ausleseschaltungseinrichtung 20.
Die Detektorfeldeinrichtung 10 ist dazu ausgelegt, elektromagnetische Strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln.
Die Ausleseschaltungseinrichtung 20 ist dazu ausgelegt, das von der Detektorfeldeinrichtung bereitgestellte Sensorsignal aufzubereiten und in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln, welches von weiteren System im Kraftfahrzeug verarbeitet werden kann, etwa Fahrerassistenzsysteme.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensor-Chips für ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der 3 ist die eine Seite eines monolithischen Halbleiter-Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei auf dieser Seite eine Ausleseschaltungseinrichtung 20 implementiert ist.
Die Ausleseschaltungseinrichtung 20 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von Bondpads zum Kontaktieren der Ausleseschaltung zur weiteren Integration des Ein-Chip-Systems in weitere signalverarbeitende Systeme.
Der Begriff Kraftfahrzeug umfasst jegliche durch einen Motor angetriebene, nicht an Schienen gebundene Fahrzeuge oder, in anderen Worten ausgedrückt, nicht dauerhaft spurgeführte Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Sensor-Chip (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei der Sensor-Chip (1) als ein monolithisches Halbleiter-Substrat ausgebildet ist und wobei der Sensor-Chip (1) umfasst: - eine Detektorfeldeinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln; und - eine Ausleseschaltungseinrichtung (20), welche dazu ausgelegt ist, das von der Detektorfeldeinrichtung bereitgestellte Sensorsignal aufzubereiten und in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln.
Sensor-Chip nach Anspruch 1, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschaltungseinrichtung (20) auf einer gegenüberliegenden Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist.
Sensor-Chip nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausleseschaltungseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit-Analyse von zurückgestreuten Laser-Signalen durchzuführen und basierend auf der Laufzeit-Analyse eine Distanzmessung durchzuführen.
Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) ein Feld von Single-Photon Avalanche-Dioden und/oder ein Feld von pin-Dioden und/oder ein Feld von MEMS-basierten infrarot Sensoren umfasst.
Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) aus Silizium als Basismaterial hergestellt ist.
Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausleseschaltungseinrichtung (20) aus Silizium hergestellt ist.
Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 800 nm oder bevorzugt von mehr als 900 nm oder besonders bevorzugt von mehr als 1000 nm oder ganz besonders bevorzugt von mehr als 1300 nm oder höchst bevorzugt von mehr als 1500 nm in ein Sensorsignal zu wandeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) und die Ausleseschaltungseinrichtung (20) auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschaltungseinrichtung (20) die Detektorfeldeinrichtung (10) zumindest teilweise umschließt.