DE102019213830A1

DE102019213830A1 - Sensor arrangement and LIDAR system with sensor arrangement

Info

Publication number: DE102019213830A1
Application number: DE102019213830.6A
Authority: DE
Inventors: Reiner Schnitzer; Alexander Greiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Eine Sensoranordnung (1) weist ein erstes Substrat (100) und ein unter dem ersten Substrat (100) angeordnetes zweites Substrat (200) auf. Das erste Substrat (100) weist einen CCD-Sensor (103) und eine Anpassungseinheit (104) auf. Das zweite Substrat (200) weist eine mit der Anpassungseinheit (104) verbundene Auswerteeinheit (203) auf. Die Anpassungseinheit (104) ist dazu ausgebildet, vom CCD-Sensor (103) generierte Spannungssignale anzupassen und der Auswerteeinheit (203) bereitzustellen. Die Auswerteeinheit (203) ist dazu ausgebildet ist, die angepassten Spannungssignale zu digitalisieren und aufzubereiten.A sensor arrangement (1) has a first substrate (100) and a second substrate (200) arranged below the first substrate (100). The first substrate (100) has a CCD sensor (103) and an adaptation unit (104). The second substrate (200) has an evaluation unit (203) connected to the adaptation unit (104). The adaptation unit (104) is designed to adapt voltage signals generated by the CCD sensor (103) and to provide them to the evaluation unit (203). The evaluation unit (203) is designed to digitize and process the adapted voltage signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein LIDAR-System mit einer Sensoranordnung.The present invention relates to a sensor arrangement and a LIDAR system with a sensor arrangement.

Aus der Druckschrift DE 10 2016 213 348 A1 ist eine optische Anordnung für ein LIDAR-System zum Erfassen eines Sichtfeldes mit einer Empfängeroptik und einer Detektoranordnung mit jeweils nebeneinander oder übereinander Segmenten bekannt. Dadurch kann ein Sichtfeld horizontal oder vertikal aufgeteilt werden.From the pamphlet DE 10 2016 213 348 A1 an optical arrangement for a LIDAR system for detecting a field of view with a receiver optics and a detector arrangement with segments in each case next to one another or one above the other is known. This allows a field of view to be divided horizontally or vertically.

Aus der Druckschrift EP 2 530 927 A1 ist ein CCD-Sensor mit einer Mehrzahl von vertikalen Schieberegistern bekannt. Über den Schieberegistern sind unabhängig voneinander steuerbare Gate-Elektroden angeordnet.From the pamphlet EP 2 530 927 A1 a CCD sensor having a plurality of vertical shift registers is known. Gate electrodes that can be controlled independently of one another are arranged above the shift registers.

Ein Nachteil bekannter Sensoranordnungen besteht darin, dass der CCD-Sensor zusammen mit einer Verarbeitungseinrichtung auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet ist. Dadurch sind Herstellungsprozesse des CCD-Sensors und der Verarbeitungseinrichtung miteinander gekoppelt und nicht unabhängig voneinander optimierbar. So kann es beispielsweise sein, dass die Verarbeitungseinrichtung aufgrund der Kopplung der Herstellungsprozesse derart ausgebildet sein muss, dass sie in einer Taktdomäne betrieben werden muss, die sich von einer Taktdomäne, in der der CCD-Sensor betrieben wird, unterscheidet. Insbesondere kann eine Taktfrequenz, mit der die Verarbeitungseinrichtung betrieben wird, kleiner sein als eine Taktfrequenz, mit der der CCD-Sensor betrieben wird. Dadurch ist es erforderlich, Schieberegister des CCD-Sensors derart auszubilden, dass sie eine Mehrzahl von Speicherpixeln aufweisen. Die Speicherpixel gewährleisten eine verlustfreie Übergabe von Informationen aus der Taktdomäne des CCD-Sensors in die Taktdomäne der Verarbeitungseinrichtung. Dadurch weist der CCD-Sensor ein großes Schieberegister auf. Umgekehrt kann es sein dass eine Quanteneffizienz des CCD-Sensors aufgrund der Kopplung der Herstellungsprozesse limitiert ist.A disadvantage of known sensor arrangements is that the CCD sensor is arranged together with a processing device on a common substrate. As a result, manufacturing processes of the CCD sensor and the processing device are coupled to one another and cannot be optimized independently of one another. For example, because of the coupling of the manufacturing processes, the processing device has to be designed in such a way that it has to be operated in a clock domain that differs from a clock domain in which the CCD sensor is operated. In particular, a clock frequency with which the processing device is operated can be smaller than a clock frequency with which the CCD sensor is operated. As a result, it is necessary to design shift registers of the CCD sensor in such a way that they have a plurality of memory pixels. The storage pixels ensure a loss-free transfer of information from the clock domain of the CCD sensor to the clock domain of the processing device. As a result, the CCD sensor has a large shift register. Conversely, it is possible that a quantum efficiency of the CCD sensor is limited due to the coupling of the manufacturing processes.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Sensoranordnung und ein LIDAR-System mit einer verbesserten Sensoranordnung bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch eine Sensoranordnung und ein LIDAR-System mit einer Sensoranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.It is an object of the present invention to provide an improved sensor arrangement and a LIDAR system with an improved sensor arrangement. These objects are achieved by a sensor arrangement and a LIDAR system with a sensor arrangement having the features of the independent claims. Advantageous developments are specified in the dependent claims.

Eine Sensoranordnung weist ein erstes Substrat und ein unter dem ersten Substrat angeordnetes zweites Substrat auf. Das erste Substrat weist einen CCD-Sensor und eine Anpassungseinheit auf. Das zweite Substrat weist eine mit der Anpassungseinheit verbundene Auswerteeinheit auf. Die Anpassungseinheit ist dazu ausgebildet, vom CCD-Sensor generierte Spannungssignale anzupassen und der Auswerteeinheit bereitzustellen. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet ist, die angepassten Spannungssignale zu digitalisieren und aufzubereiten.A sensor arrangement has a first substrate and a second substrate arranged below the first substrate. The first substrate has a CCD sensor and an adaptation unit. The second substrate has an evaluation unit connected to the adaptation unit. The adaptation unit is designed to adapt voltage signals generated by the CCD sensor and to provide them to the evaluation unit. The evaluation unit is designed to digitize and process the adapted voltage signals.

Die Sensoranordnung bietet den Vorteil, dass die Elemente des ersten Substrats und die Elemente des zweiten Substrats unabhängig voneinander hergestellt werden können. Dadurch kann eine für die Elemente des ersten Substrats vorteilhafte Technologie und eine für die Elemente des zweiten Substarts vorteilhafte Technologie verwendet werden. Beispielsweise können Materialien und/oder Prozessbedingungen beim Herstellen der Sensoranordnung 1 für die Substrate unabhängig voneinander gewählt und optimiert werden. Dies bietet mehrere Vorteile. Beispielsweise kann der CCD-Sensor hinsichtlich einer Quanteneffizienz optimiert werden. Ferner können die Elemente des ersten Substrats und des zweiten Substrats derart hergestellt und optimiert werden, dass sie in einer gemeinsamen Taktdomäne betrieben werden. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit in derselben Taktdomäne, in der der CCD-Sensor betrieben wird, betrieben werden. Auf diese Weise kann auf einen großen Teil eines Schieberegisters des CCD-Sensors verzichtet werden, da vom CCD-Sensor generierte Spannungssignale nicht zwischengespeichert werden müssen, bevor eine Übergabe der Spannungssignale an die Auswerteeinheit erfolgt. Bei der Sensoranordnung kann also eine direkte Digitalisierung der Spannungssignale erfolgen. Im Vergleich dazu weisen bisher bekannte Sensoranordnungen den Nachteil auf, dass sämtliche Elemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden. Dadurch kann es sein, dass eine Auswerteeinheit mit einer kleineren Taktfrequenz betrieben werden muss, als ein CCD-Sensor. Somit ist eine Zwischenspeicherung der Spannungssignale erforderlich. Die vorliegende Sensoranordnung kann also besonders kompakt ausgebildet sein. Durch den Verzicht auf eine Zwischenspeicherung von Spannungssignalen, kann auch ein thermisches Rauschen der Ladungsträger verringert oder sogar eliminiert werden.The sensor arrangement offers the advantage that the elements of the first substrate and the elements of the second substrate can be produced independently of one another. As a result, a technology which is advantageous for the elements of the first substrate and a technology which is advantageous for the elements of the second substrate can be used. For example, materials and / or process conditions can be used when producing the sensor arrangement 1 for the substrates can be selected and optimized independently of one another. This has several advantages. For example, the CCD sensor can be optimized with regard to a quantum efficiency. Furthermore, the elements of the first substrate and the second substrate can be manufactured and optimized in such a way that they are operated in a common clock domain. For example, the evaluation unit can be operated in the same clock domain in which the CCD sensor is operated. In this way, a large part of a shift register of the CCD sensor can be dispensed with, since voltage signals generated by the CCD sensor do not have to be temporarily stored before the voltage signals are transferred to the evaluation unit. In the case of the sensor arrangement, the voltage signals can therefore be digitized directly. In comparison to this, previously known sensor arrangements have the disadvantage that all the elements are arranged on a common substrate. As a result, an evaluation unit may have to be operated with a lower clock frequency than a CCD sensor. Intermediate storage of the voltage signals is therefore necessary. The present sensor arrangement can therefore be designed to be particularly compact. By dispensing with intermediate storage of voltage signals, thermal noise from the charge carriers can also be reduced or even eliminated.

In einer Ausführungsform weist der CCD-Sensor eine Mehrzahl von Fotodioden, eine Mehrzahl von Schieberegistern und eine Mehrzahl von Ladungsverstärkern auf. Die Fotodioden sind in einer regelmäßen Matrix mit einer Mehrzahl von Zeiten und Spalten angeordnet. Die Schieberegister sind dazu ausgebildet, in den Fotodioden generierte elektrische Ladungsträger zu einem Ladungsverstärker zu transportieren und den Ladungsverstärkern bereitzustellen. Die Ladungsverstärker sind dazu ausgebildet, ein Spannungssignal aus einer bereitgestellten elektrischen Ladung zu generieren. Für jede Zeile der Matrix ist jeweils ein Schieberegister vorgesehen. Für jedes Schieberegister ist jeweils ein Ladungsverstärker vorgesehen.In one embodiment, the CCD sensor has a plurality of photodiodes, a plurality of shift registers and a plurality of charge amplifiers. The photodiodes are arranged in a regular matrix with a plurality of times and columns. The shift registers are designed to transport electrical charge carriers generated in the photodiodes to a charge amplifier and to provide the charge amplifiers. The charge amplifiers are designed to generate a voltage signal from a generate electric charge. A shift register is provided for each row of the matrix. A charge amplifier is provided for each shift register.

In einer Ausführungsform weist die Anpassungseinheit eine Mehrzahl von Anpassungseinrichtungen auf. Die Ladungsverstärker und die Anpassungseinrichtungen sind paarweise miteinander verbunden. Die Auswerteeinheit weist eine Mehrzahl von Auswerteeinrichtungen aufweist. Die Anpassungseinrichtungen und die Auswerteeinrichtungen sind paarweise miteinander verbunden.In one embodiment, the adaptation unit has a plurality of adaptation devices. The charge amplifiers and the matching devices are connected to one another in pairs. The evaluation unit has a plurality of evaluation devices. The adaptation devices and the evaluation devices are connected to one another in pairs.

In einer Ausführungsform weisen die Anpassungseinrichtungen jeweils einen Impedanzwandler auf. Die Ladungsverstärker und die Impedanzwandler sind paarweise miteinander verbunden. Vorteilhafterweise ist ein Impedanzwandler dazu ausgebildet, eine Impedanztransformation eines Spannungssignals vorzunehmen. Damit kann eine Anpassung an eine Impedanz einer Auswerteeinrichtungen erfolgen. Dadurch kann verhindert werden, dass ein Spannungssignal von Lastströmen beeinflusst wird, wodurch das Spannungssignal verfälscht wäre.In one embodiment, the matching devices each have an impedance converter. The charge amplifiers and the impedance converters are connected to one another in pairs. An impedance converter is advantageously designed to carry out an impedance transformation of a voltage signal. An adaptation to an impedance of an evaluation device can thus take place. This can prevent a voltage signal from being influenced by load currents, which would falsify the voltage signal.

In einer Ausführungsform weisen die Anpassungseinrichtungen jeweils einen Pegelumsetzer auf. Die Impedanzwandler und die Pegelumsetzer sind paarweise miteinander verbunden. Die Pegelumsetzer und die Auswerteeinrichtungen sind paarweise miteinander verbunden. Vorteilhafterweise ist ein Pegelumsetzer dazu ausgebildet, ein Spannungsniveau eines Spannungssignals an ein Spannungsniveau einer Auswerteeinrichtung anzupassen.In one embodiment, the adaptation devices each have a level converter. The impedance converter and the level converter are connected to one another in pairs. The level converters and the evaluation devices are connected to one another in pairs. A level converter is advantageously designed to adapt a voltage level of a voltage signal to a voltage level of an evaluation device.

In einer Ausführungsform weist jede Auswerteeinrichtung einen A/D-Wandler und eine Signalverarbeitungseinrichtung auf. Die A/D-Wandler und die Signalverarbeitungseinrichtungen sind paarweise miteinander verbunden.In one embodiment, each evaluation device has an A / D converter and a signal processing device. The A / D converter and the signal processing devices are connected to one another in pairs.

In einer Ausführungsform weist jede Auswerteeinrichtung eine CDS-Stufe auf. Die Anpassungseinrichtungen und die CDS-Stufen sind paarweise miteinander verbunden. Die CDS-Stufen und die A/D-Wandler sind paarweise miteinander verbunden. Vorteilhafterweise kann mittels der CDS-Stufen ein thermisches Rauschen der vom CCD-Sensor generierten Spannungssignale kompensiert werden.In one embodiment, each evaluation device has a CDS stage. The adaptation devices and the CDS stages are connected to one another in pairs. The CDS stages and the A / D converter are connected to one another in pairs. Thermal noise in the voltage signals generated by the CCD sensor can advantageously be compensated for by means of the CDS stages.

In einer Ausführungsform sind das erste Substrat und das zweite Substrat mittels einer Bondverbindung miteinander verbunden.In one embodiment, the first substrate and the second substrate are connected to one another by means of a bond connection.

Ein LIDAR-System weist einen zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten Emitter und eine Sensoranordnung auf.A LIDAR system has an emitter designed to emit electromagnetic radiation and a sensor arrangement.

In einer Ausführungsform des LIDAR-Systems weist der CCD-Sensor eine Mehrzahl von Fotodioden, eine Mehrzahl von Schieberegistern und eine Mehrzahl von Ladungsverstärkern auf. Die Fotodioden sind in einer regelmäßen Matrix mit einer Mehrzahl von Zeilen und Spalten angeordnet. Die Schieberegister sind dazu ausgebildet, in den Fotodioden generierte elektrische Ladungsträger zu einem Ladungsverstärker zu transportieren und den Ladungsverstärkern bereitzustellen. Die Ladungsverstärker sind dazu ausgebildet, ein Spannungssignal aus einer bereitgestellten elektrischen Ladung zu generieren. Für jede Zeile der Matrix ist jeweils ein Schieberegister vorgesehen. Für jedes Schieberegister ist jeweils ein Ladungsverstärker vorgesehen. Der Emitter ist dazu ausgebildet, eine vertikale Linie zu emittieren. Eine Spalte der Matrix bildet eine aktive Spalte. Die aktive Spalte ist dazu vorgesehen, vom Emitter emittierte und an einem Objekt in einer Umgebung des LIDAR-Systems reflektierte elektromagnetische Strahlung zu detektieren.In one embodiment of the LIDAR system, the CCD sensor has a plurality of photodiodes, a plurality of shift registers and a plurality of charge amplifiers. The photodiodes are arranged in a regular matrix with a plurality of rows and columns. The shift registers are designed to transport electrical charge carriers generated in the photodiodes to a charge amplifier and to provide the charge amplifiers. The charge amplifiers are designed to generate a voltage signal from a provided electrical charge. A shift register is provided for each row of the matrix. A charge amplifier is provided for each shift register. The emitter is designed to emit a vertical line. One column of the matrix forms an active column. The active column is provided to detect electromagnetic radiation emitted by the emitter and reflected on an object in the vicinity of the LIDAR system.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, sind klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematischer Darstellung:

1 eine Sensoranordnung in einer perspektivischen Ansicht,
2 eine Draufsicht auf ein erstes Substrat der Sensoranordnung,
3 eine Draufsicht auf ein zweites Substrat der Sensoranordnung und
4 ein LIDAR-System mit einer Sensoranordnung.

The properties, features and advantages of this invention described above and the manner in which they are achieved can be more clearly and more clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments, which are explained in more detail in connection with the drawings. In each case show in a schematic representation:

1 a sensor arrangement in a perspective view,
2 a plan view of a first substrate of the sensor arrangement,
3 a plan view of a second substrate of the sensor arrangement and
4th a LIDAR system with a sensor array.

1 zeigt schematisch eine Sensoranordnung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Die Sensoranordnung 1 weist ein erstes Substrat 100 und ein zweites Substrat 200 auf. Das erste Substrat 100 und das zweite Substrat 200 können beispielsweise Silizium aufweisen. Die Substrate 100, 200 können jedoch auch andere Materialien aufweisen. Die Substrate 100, 200 können auch voneinander verschiedene Materialien aufweisen. 1 shows schematically a sensor arrangement 1 in a perspective view. The sensor arrangement 1 has a first substrate 100 and a second substrate 200 on. The first substrate 100 and the second substrate 200 can include silicon, for example. The substrates 100 , 200 however, they can also comprise other materials. The substrates 100 , 200 can also have different materials from one another.

Das erste Substrat 100 weist eine Oberseite 101 und eine der Oberseite 101 gegenüberliegende Unterseite 102 auf. Das zweite Substrat 200 weist eine Oberseite 201 und eine der Oberseite 201 gegenüberliegende Unterseite 202 auf. Das erste Substrat 100 ist über dem zweiten Substrat 200 angeordnet, wobei die Unterseite 102 des ersten Substarts 100 der Oberseite 201 des zweiten Substrats 200 zugewandt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind das erste Substrat 100 und das zweite Substrat 200 in 1 voneinander beabstandet dargestellt. Tatsächlich bilden die Substrate 100, 200 eine gestapelte Waferstruktur. Die Substrate 100, 200 können beispielsweise mittels einer Bondverbindung miteinander verbunden sein. Die Substrate 100, 200 können mittels einer beliebigen Bondverbindung, beispielsweise mittels einer eutektischen Bondverbindung, miteinander verbunden sein. Die Bondverbindung ist in 1 nicht dargestellt.The first substrate 100 has a top 101 and one of the top 101 opposite bottom 102 on. The second substrate 200 has a top 201 and one of the top 201 opposite bottom 202 on. The first substrate 100 is above the second substrate 200 arranged, with the bottom 102 of the first subst 100 the top 201 of the second substrate 200 is facing. Because of Clarity is the first substrate 100 and the second substrate 200 in 1 Shown spaced from each other. In fact, the substrates form 100 , 200 a stacked wafer structure. The substrates 100 , 200 can for example be connected to one another by means of a bond connection. The substrates 100 , 200 can be connected to one another by means of any bond connection, for example by means of a eutectic bond connection. The bond is in 1 not shown.

Das das erste Substrat 100 weist einen CCD-Sensor 103 und eine Anpassungseinheit 104 auf. Das zweite Substrat 200 weist eine Auswerteeinheit 203 auf. Die Anpassungseinheit 104 ist mit der Auswerteeinheit 203 verbunden. Die Anpassungseinheit 104 und die Auswerteeinheit 203 sind mittels elektrischer Durchkontakte 2, die sich durch das erste Substrat 100 erstrecken, miteinander verbunden. Die Durchkontakte 2 sind in 1 schematisch mittels gestrichelter Linien angedeutet.That the first substrate 100 has a CCD sensor 103 and an adjustment unit 104 on. The second substrate 200 has an evaluation unit 203 on. The adaptation unit 104 is with the evaluation unit 203 connected. The adaptation unit 104 and the evaluation unit 203 are by means of electrical through contacts 2 that extends through the first substrate 100 extend, connected to each other. The vias 2 are in 1 indicated schematically by means of dashed lines.

Die Anpassungseinheit 104 ist dazu ausgebildet, vom CCD-Sensor 103 generierte Spannungssignale anzupassen und der Auswerteeinheit 203 bereitzustellen. Dazu ist die Anpassungseinheit 104 mit dem CCD-Sensor 103 verbunden. Die Auswerteeinheit 203 ist dazu ausgebildet, die angepassten Spannungssignale zu digitalisieren und aufzubereiten, um Bilder zu generieren.The adaptation unit 104 is designed to be used by the CCD sensor 103 to adapt generated voltage signals and the evaluation unit 203 provide. To do this is the adjustment unit 104 with the CCD sensor 103 connected. The evaluation unit 203 is designed to digitize and process the adjusted voltage signals in order to generate images.

2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das erste Substrat 100 mit weiteren Elementen des CCD-Sensors 103 und der Anpassungseinheit 104. Die Durchkontakte 2 sind in 2 mit gestrichelten Linien angedeutet. 2 shows schematically a plan view of the first substrate 100 with other elements of the CCD sensor 103 and the adjustment unit 104 . The vias 2 are in 2 indicated with dashed lines.

Der CCD-Sensor 103 weist eine Mehrzahl von Fotodioden 105, eine Mehrzahl von Schieberegistern 106 und eine Mehrzahl von Ladungsverstärkern 107 auf. Die Fotodioden 105 sind dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Die Fotodioden 105 sind beispielhaft quadratisch ausgebildet. Die Fotodioden 105 können beispielsweise eine Kantenlänge von 40 µm aufweisen. Die Fotodioden 105 können auch eine andere geometrische Form aufweisen. Die Fotodioden 105 sind in einer regelmäßen Matrix mit einer Mehrzahl von Zeilen 108 und Spalten 109 angeordnet. Beispielhaft zeigt 2 eine Matrix mit acht Zeilen 108 und acht Spalten 109 und vierundsechzig Fotodioden 105. Die Anzahl der Zeilen 108 und Spalten 109 und damit auch die Anzahl der Fotodioden 105 können jedoch jeweils von der beispielhaft gewählten Anzahl abweichen.The CCD sensor 103 has a plurality of photodiodes 105 , a plurality of shift registers 106 and a plurality of charge amplifiers 107 on. The photodiodes 105 are designed to detect electromagnetic radiation. The photodiodes 105 are exemplarily square. The photodiodes 105 can for example have an edge length of 40 µm. The photodiodes 105 can also have a different geometric shape. The photodiodes 105 are in a regular matrix with a plurality of rows 108 and columns 109 arranged. Exemplarily shows 2 a matrix with eight rows 108 and eight columns 109 and sixty-four photodiodes 105 . The number of lines 108 and columns 109 and thus also the number of photodiodes 105 can, however, differ from the number chosen by way of example.

Die Schieberegister 106 weisen Pixel 110 auf. Jeder Fotodiode 105 ist ein Pixel 110 eines Schieberegisters 106 zugeordnet. Die Schieberegister 106 sind dazu ausgebildet, in den Fotodioden 105 generierte elektrische Ladungsträger zu einem Ladungsverstärker 107 zu transportieren und den Ladungsverstärkern 107 bereitzustellen. In einer Fotodiode 105 durch einen Einfall elektromagnetischer Strahlung erzeugte Ladungsträger können durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Potentialtopf eines Pixels 110 gesammelt werden. Durch Variation von angelegten Spannungen benachbarter Pixel 110 können die Ladungsträger von einem Potentialtopf zum nächsten transportiert werden. Dies ist in 2 mittels den Pixeln 110 zugehörigen Pfeilen angedeutet. Die Pfeile in 2 geben die Transportrichtung der Ladungsträger an. Für jede Zeile 108 der Matrix ist jeweils ein Schieberegister 106 vorgesehen.The shift registers 106 assign pixels 110 on. Any photodiode 105 is a pixel 110 a shift register 106 assigned. The shift registers 106 are designed to be in the photodiodes 105 generated electrical charge carriers to a charge amplifier 107 to transport and the charge amplifiers 107 provide. In a photodiode 105 Charge carriers generated by the incidence of electromagnetic radiation can be generated by applying an electrical voltage in a potential well of a pixel 110 to be collected. By varying the voltages applied to neighboring pixels 110 the charge carriers can be transported from one potential well to the next. This is in 2 by means of the pixels 110 associated arrows indicated. The arrows in 2 indicate the transport direction of the load carriers. For each line 108 each matrix is a shift register 106 intended.

Die Pixel 110 der Schieberegister 106 können dabei wie in 2 angedeutet mit den Fotodioden 105 integral ausgebildet sein. Die Pixel 110 können jedoch auch separat vorliegen und neben den Fotodioden 105 auf dem ersten Substrat 100 angeordnet und mit den Fotodioden 105 verbunden sein. In diesem Fall sind die Pixel 110 mittels einer Abdeckung maskiert, um einen Einfall elektromagnetischer Strahlung auf die Pixel 110 zu verhindern. Separat vorliegende Pixel 110 können beispielsweise quadratisch ausgebildet sein und eine Kantenlänge von 4 µm aufweisen. Andere Formen und Dimensionierungen sind jedoch ebenfalls möglich.The pixels 110 the shift register 106 can as in 2 indicated with the photodiodes 105 be integrally formed. The pixels 110 however, they can also be present separately and next to the photodiodes 105 on the first substrate 100 arranged and with the photodiodes 105 be connected. In this case the pixels are 110 masked by means of a cover to prevent electromagnetic radiation from falling on the pixels 110 to prevent. Separately present pixels 110 can, for example, be square and have an edge length of 4 µm. However, other shapes and dimensions are also possible.

Beispielhaft ist in 2 gezeigt, dass jedes Schieberegister 106 einer Zeile 108 jeweils zwei zusätzliche Pixel 115 aufweist, die keiner Fotodiode 105 zugeordnet sind. Die zusätzlichen Pixel 115 sind zwischen den Fotodioden 105 und den Ladungsverstärkern 107 angeordnet. Diese zusätzlichen Pixel 115 dienen dem Transport von Ladungsträgern zu den Ladungsverstärkern 107. Der CCD-Sensor 103 kann auch eine andere Anzahl von zusätzlichen Pixeln 115 pro Zeile 108 aufweisen.An example is in 2 shown that each shift register 106 one line 108 two additional pixels each 115 having no photodiode 105 assigned. The extra pixels 115 are between the photodiodes 105 and the charge amplifiers 107 arranged. Those extra pixels 115 serve to transport charge carriers to the charge amplifiers 107 . The CCD sensor 103 can also have a different number of additional pixels 115 per line 108 exhibit.

Beispielhaft ist in 2 eine Situation dargestellt, bei der eine Spalte 109 der Matrix von Fotodioden 105 eine aktive Spalte 111 bildet, d.h. dass elektromagnetische Strahlung lediglich entlang dieser Spalte 109, 111 auf den CCD-Sensor 103 trifft. Beispielhaft bildet in 2 die vierte Spalte 109 von links die aktive Spalte 111. Alle Fotodioden 105, die in 2 links von der aktiven Spalte 111 angeordnet sind, sind inaktiv. Dazu können diese Fotodioden 105 beispielsweise mittels einer Abdeckung maskiert sein. Auf alle Fotodioden 105 die in 2 rechts von der aktiven Spalte 111 angeordnet sind, trifft keine elektromagnetische Strahlung. Es ist also eine beispielhafte Situation in 2 gezeigt, bei der elektromagnetische Strahlung, die sich entlang einer Linie ausbreitet, von der aktiven Spalte 111 detektiert wird. Alternativ können auch mehrere Spalten 109 einen aktiven Bereich bilden.An example is in 2 illustrated a situation in which a column 109 the matrix of photodiodes 105 an active column 111 forms, ie that electromagnetic radiation only along this column 109 , 111 on the CCD sensor 103 meets. In 2 the fourth column 109 the active column from the left 111 . All photodiodes 105 , in the 2 to the left of the active column 111 are inactive. These photodiodes can do this 105 be masked for example by means of a cover. On all photodiodes 105 in the 2 to the right of the active column 111 are arranged, no electromagnetic radiation hits. So it's an exemplary situation in 2 shown with electromagnetic radiation propagating along a line from the active slit 111 is detected. Alternatively, multiple columns 109 form an active area.

Die in den Fotodioden 105 der aktiven Spalte 111 generierten Ladungsträger werden zu den Ladungsverstärkern 107 transportiert. Dabei werden jeweils in einer Fotodiode 105 generierte Ladungsträger jeweils einem Ladungsverstärker 107 bereitgestellt. Für jedes Schieberegister 106 des CDD-Sensors ist jeweils ein Ladungsverstärker 107 vorgesehen. Die Ladungsverstärker 107 sind dazu ausgebildet, ein Spannungssignal aus einer bereitgestellten elektrischen Ladung zu generieren.The ones in the photodiodes 105 the active column 111 generated load carriers become the Charge amplifiers 107 transported. Each in a photodiode 105 generated charge carriers each to a charge amplifier 107 provided. For each shift register 106 of the CDD sensor is a charge amplifier 107 intended. The charge amplifiers 107 are designed to generate a voltage signal from a provided electrical charge.

Die Anpassungseinheit 104 weist eine Mehrzahl von Anpassungseinrichtungen 112 auf. Die Ladungsverstärker 107 und die Anpassungseinrichtungen 112 sind paarweise miteinander verbunden. Die Anpassungseinrichtungen 112 weisen jeweils einen Impedanzwandler 113 auf. Die Ladungsverstärker 107 und die Impedanzwandler 113 sind paarweise miteinander verbunden. Die Impedanzwandler 113 können beispielsweise als Spannungsfolger ausgebildet sein. Dabei handelt es sich um eine Transistorgrundschaltung, die auch als Drainschaltung bezeichnet wird. Die Impedanzwandler 113 sind dazu ausgebildet, eine elektrische Impedanztransformation vorzunehmen, um zu verhindern, dass die Spannungssignale von Lastströmen beeinflusst werden. Die Impedanzwandler 113 können auch entfallen, wenn keine Impedanztransformation erforderlich ist.The adaptation unit 104 has a plurality of adapters 112 on. The charge amplifiers 107 and the adapters 112 are connected in pairs. The adaptation facilities 112 each have an impedance converter 113 on. The charge amplifiers 107 and the impedance converter 113 are connected in pairs. The impedance converter 113 can for example be designed as a voltage follower. This is a basic transistor circuit, which is also referred to as a drain circuit. The impedance converter 113 are designed to carry out an electrical impedance transformation in order to prevent the voltage signals from being influenced by load currents. The impedance converter 113 can also be omitted if no impedance transformation is required.

Die Anpassungseinrichtungen 112 weisen jeweils einen Pegelumsetzer 114 auf. Die Impedanzwandler 113 und die Pegelumsetzer 114 sind paarweise miteinander verbunden. Die Pegelumsetzer 114 sind jeweils dazu ausgebildet ein Spannungsniveau eines Spannungssignals zu transformieren. Dadurch können die Spannungsniveaus der den Pegelumsetzern 114 bereitgestellten Spannungssignale an die Auswerteeinheit 203 des zweiten Substrats 200 angepasst werden. Ist dies nicht erforderlich, so können die Pegelumsetzer 114 auch entfallen.The adaptation facilities 112 each have a level shifter 114 on. The impedance converter 113 and the level shifter 114 are connected in pairs. The level shifter 114 are each designed to transform a voltage level of a voltage signal. This allows the voltage levels of the level shifter 114 provided voltage signals to the evaluation unit 203 of the second substrate 200 be adjusted. If this is not necessary, the level converters can 114 also omitted.

3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das zweite Substrat 200 mit weiteren Elementen der Auswerteeinheit 203. Die Durchkontakte 2 sind in 3 mit gestrichelten Linien angedeutet. Damit die Elemente des zweiten Substrats 200 erkennbar sind, ist das erste Substrat 100 in 3 nicht dargestellt. 3 shows schematically a plan view of the second substrate 200 with other elements of the evaluation unit 203 . The vias 2 are in 3 indicated with dashed lines. So that the elements of the second substrate 200 can be seen is the first substrate 100 in 3 not shown.

Die Auswerteeinheit 203 eine Mehrzahl von Auswerteeinrichtungen 204 auf. Die Anpassungseinrichtungen 112 des ersten Substrats 100 und die Auswerteeinrichtungen 203 des zweiten Substrats 200 sind paarweise miteinander verbunden. Dabei sind die Auswerteeinrichtungen 204 und die Pegelumsetzer 114 paarweise miteinander verbunden.The evaluation unit 203 a plurality of evaluation devices 204 on. The adaptation facilities 112 of the first substrate 100 and the evaluation devices 203 of the second substrate 200 are connected in pairs. The evaluation devices are here 204 and the level shifter 114 connected in pairs.

Jede Auswerteeinrichtung 204 weist einen A/D-Wandler 205 (Analog/DigitalWandler) und eine Signalverarbeitungseinrichtung 206 und eine CDS-Stufe 207 auf. Die Signalverarbeitungseinrichtungen 206 und die A/D-Wandler 205 sind paarweise miteinander verbunden. Die A/D-Wandler 205 und die CDS-Stufen sind paarweise miteinander verbunden. Die Anpassungseinrichtungen 112 des ersten Substrats und die CDS-Stufen 207 sind paarweise miteinander verbunden. Dabei sind die CDS-Stufen 207 jeweils mit den Pegelumsetzern 114 der Anpassungseinrichtungen 112 verbunden.Every evaluation device 204 has an A / D converter 205 (Analog / digital converter) and a signal processing device 206 and a CDS level 207 on. The signal processing devices 206 and the A / D converter 205 are connected in pairs. The A / D converter 205 and the CDS stages are connected to one another in pairs. The adaptation facilities 112 of the first substrate and the CDS stages 207 are connected in pairs. Here are the CDS levels 207 each with the level converters 114 of the adaptation facilities 112 connected.

Die CDS-Stufen 207 sind dazu ausgebildet, ein thermisches Rauschen der von den Anpassungseinrichtungen 112 bereitgestellten Spannungssignale zu kompensieren. Dabei wird ein Referenzspannungssignal von einem Spannungssignal einer Fotodiode 105 subtrahiert. Ein Referenzspannungssignal kann beispielsweise ein Spannungssignal einer Fotodiode 105 nach einem Rücksetzen der Fotodiode 105 sein. Diese Methode wird als Correlated Double Sampling (CDS) bezeichnet. Die CSD-Stufen 207 können auch als Filtereinrichtungen bezeichnet werden, da sie dazu ausgebildet sind, thermisches Rauschen herausfiltern.The CDS levels 207 are designed to reduce thermal noise from the adaptation devices 112 to compensate provided voltage signals. A reference voltage signal is derived from a voltage signal from a photodiode 105 subtracted. A reference voltage signal can, for example, be a voltage signal from a photodiode 105 after resetting the photodiode 105 be. This method is known as Correlated Double Sampling (CDS). The CSD levels 207 can also be referred to as filter devices, since they are designed to filter out thermal noise.

Die A/D-Wandler 205 sind dazu ausgebildet, die von den CDS-Stufen 207 bereitgestellten gefilterten Spannungssignale in digitale Signale umzuwandeln und die digitalen Signale den Signalverarbeitungseinrichtungen 206 bereitzustellen. Die Signalverarbeitungseinrichtungen 206 sind dazu ausgebildet, die digitalen Signale derart aufzubereiten, dass aus den Spannungssignalen des CCD-Sensors 103 Bilder generiert werden können.The A / D converter 205 are trained to do so by the CDS levels 207 to convert the provided filtered voltage signals into digital signals and the digital signals to the signal processing devices 206 provide. The signal processing devices 206 are designed to process the digital signals in such a way that from the voltage signals of the CCD sensor 103 Images can be generated.

Die Sensoranordnung 1 gemäß 1 bietet den Vorteil, dass die Elemente des ersten Substrats 100 und die Elemente des zweiten Substrats 200 unabhängig voneinander hergestellt werden können. Dadurch kann eine für die Elemente des ersten Substrats 100 vorteilhafte Technologie und eine für die Elemente des zweiten Substarts 200 vorteilhafte Technologie verwendet werden. Beispielsweise können Materialien und/oder Prozessbedingungen beim Herstellen der Sensoranordnung 1 für die Substrate 100, 200 unabhängig voneinander gewählt und optimiert werden. Beispielsweise ist dadurch eine Umsetzung einer CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) für die Auswerteeinrichtung 203 des zweiten Substrats 200 möglich. Insgesamt können durch das voneinander entkoppelte Optimieren der Herstellungsprozesse des ersten und des zweiten Substrats 100, 200 zum Betrieb der Elemente des ersten und des zweiten Substrats 100, 200 erforderliche elektrische Leistungen gesenkt werden.The sensor arrangement 1 according to 1 offers the advantage that the elements of the first substrate 100 and the elements of the second substrate 200 can be produced independently of each other. This allows one for the elements of the first substrate 100 advantageous technology and one for the elements of the second substart 200 advantageous technology can be used. For example, materials and / or process conditions can be used when producing the sensor arrangement 1 for the substrates 100 , 200 can be selected and optimized independently of each other. For example, this is an implementation of CMOS technology (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) for the evaluation device 203 of the second substrate 200 possible. Overall, as a result of the mutually decoupled optimization of the manufacturing processes of the first and the second substrate 100 , 200 for operating the elements of the first and second substrates 100 , 200 required electrical power can be reduced.

Dies bietet mehrere Vorteile. Beispielsweise kann der CCD-Sensor hinsichtlich einer Quanteneffizienz optimiert werden. Ferner können die Elemente des ersten Substrats 100 und des zweiten Substrats 200 derart hergestellt und optimiert werden, dass sie in einer gemeinsamen Taktdomäne betrieben werden. Beispielsweise können die A/D-Wandler 205 in derselben Taktdomäne, in der der CCD-Sensor 103 betrieben wird, betrieben werden. Beispielsweise können der CCD-Sensor 103 und die A/D-Wandler 205 mit einer gemeinsamen Taktfrequenz von 250 MHz betrieben werden. Auf diese Weise kann auf einen großen Teil zusätzlicher Pixel 115 der Schieberegister 106 verzichtet werden, da die Spannungssignale nicht in den zusätzlichen Pixeln 115 zwischengespeichert werden müssen, bevor eine Übergabe der Spannungssignale an die Auswerteeinrichtungen 204 erfolgt. Die zusätzlichen Pixel 115 der 2 dienen also lediglich dem Transport von Ladungsträgern und nicht der Zwischenspeicherung. Bei der Sensoranordnung 1 kann also eine direkte Digitalisierung der Spannungssignale erfolgen. Im Vergleich dazu weisen bisher bekannte Sensoranordnungen den Nachteil auf, dass sämtliche Elemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden. Dadurch kann es sein, dass A/D-Wandler mit einer kleineren Taktfrequenz betrieben werden müssen, als ein CCD-Sensor. Somit ist eine Zwischenspeicherung der Spannungssignale in zusätzlichen Pixeln 115 erforderlich. This has several advantages. For example, the CCD sensor can be optimized with regard to a quantum efficiency. Furthermore, the elements of the first substrate 100 and the second substrate 200 are manufactured and optimized in such a way that they are operated in a common clock domain. For example, the A / D Converter 205 in the same clock domain as the CCD sensor 103 operated, operated. For example, the CCD sensor 103 and the A / D converter 205 operated with a common clock frequency of 250 MHz. This allows for a large part of additional pixels 115 the shift register 106 can be omitted because the voltage signals are not in the additional pixels 115 must be buffered before the voltage signals are transferred to the evaluation devices 204 he follows. The extra pixels 115 of the 2 therefore only serve to transport load carriers and not for intermediate storage. With the sensor arrangement 1 the voltage signals can therefore be digitized directly. In comparison to this, previously known sensor arrangements have the disadvantage that all the elements are arranged on a common substrate. As a result, A / D converters may have to be operated with a lower clock frequency than a CCD sensor. This means that the voltage signals are buffered in additional pixels 115 required.

Die Sensoranordnung 1 der 1 bietet also auch den Vorteil, dass sie besonders kompakt ausgebildet sein kann. Neben der Kompaktheit, geht mit einem Verzicht auf einen Großteil der zusätzlichen Pixel 115 als Speicherpixel auch der Vorteil einher, dass ein thermisches Rauschen der Spannungssignale verringert oder sogar eliminiert werden kann. Dies verbessert die Signalqualität. Dadurch können die CDS-Stufen 207 der Auswerteeinrichtungen 204 des zweiten Substrats 200 entfallen.The sensor arrangement 1 of the 1 thus also offers the advantage that it can be designed to be particularly compact. In addition to the compactness, it is possible to do without a large part of the additional pixels 115 As a memory pixel, there is also the advantage that thermal noise in the voltage signals can be reduced or even eliminated. This improves the signal quality. This enables the CDS levels 207 of the evaluation devices 204 of the second substrate 200 omitted.

Die Sensoranordnung 1 kann beispielsweise Bestandteil eines LIDAR-Systems sein. LIDAR ist eine Methode zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung, die mit dem Radar verwandt ist. Statt Radiowellen werden jedoch Laserstrahlen verwendet. 4 zeigt schematisch ein LIDAR-System 3. Das LIDAR-System 3 mit der Sensoranordnung 1 kann beispielsweise Teil eines automatisierten Fahrzeugs sein, wobei das LIDAR-System 3 dazu ausgebildet ist, eine Umgebung des automatisierten Fahrzeugs abzutasten.The sensor arrangement 1 can be part of a LIDAR system, for example. LIDAR is a method of measuring distance and speed that is related to radar. Instead of radio waves, however, laser beams are used. 4th shows schematically a LIDAR system 3 . The LIDAR system 3 with the sensor arrangement 1 can for example be part of an automated vehicle using the LIDAR system 3 is designed to scan an environment of the automated vehicle.

Das LIDAR-System 3 weist einen zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten Emitter 4 und eine Sensoranordnung 1 auf. Der Emitter 4 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine vertikale Linie zu emittieren, um eine Umgebung des LIDAR-Systems 3 abzutasten. Die aktive Spalte 111 des CCD-Sensors 103 ist dazu vorgesehen, vom Emitter 4 in Form der Linie emittierte und an einem Objekt in der Umgebung des LIDAR-Systems 3 reflektierte elektromagnetische Strahlung zu detektieren.The LIDAR system 3 has an emitter designed to emit electromagnetic radiation 4th and a sensor arrangement 1 on. The emitter 4th can, for example, be designed to emit a vertical line around the surroundings of the LIDAR system 3 to feel. The active column 111 of the CCD sensor 103 is intended to be used by the emitter 4th emitted in the form of the line and on an object in the vicinity of the LIDAR system 3 to detect reflected electromagnetic radiation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102016213348 A1 [0002]
EP 2530927 A1 [0003]

Claims

Sensor arrangement (1) having a first substrate (100) and a second substrate (100) arranged below the first substrate (100), wherein the first substrate (100) has a CCD sensor (103) and an adaptation unit (104) and the second substrate (200) has an evaluation unit (203) connected to the adaptation unit (104), the adaptation unit (104) being designed to adapt voltage signals generated by the CCD sensor (103) and to provide them to the evaluation unit (203), wherein the evaluation unit (203) is designed to digitize and process the adapted voltage signals.

Sensor arrangement (1) according to Claim 1 , wherein the CCD sensor (103) has a plurality of photodiodes (105), a plurality of shift registers (106) and a plurality of charge amplifiers (107), the photodiodes (105) in a regular matrix with a plurality of rows ( 109) and columns (109) are arranged, the shift registers (106) being designed to transport electrical charge carriers generated in the photodiodes (105) to a charge amplifier (107) and to provide the charge amplifiers (107), the charge amplifiers (107 ) are designed to generate a voltage signal from a provided electrical charge, a shift register (106) being provided for each row (108) of the matrix, a charge amplifier (107) being provided for each shift register (106).

Sensor arrangement (1) according to Claim 2 , the adaptation unit (104) having a plurality of adaptation devices (112), the charge amplifiers (107) and the adaptation devices (112) being connected to one another in pairs, the evaluation unit (203) having a plurality of evaluation devices (204), the Adaptation devices (112) and the evaluation devices (204) are connected to one another in pairs.

Sensor arrangement (1) according to a Claim 3 , the matching devices (104) each having an impedance converter (113), the charge amplifiers (107) and the impedance converters (113) being connected to one another in pairs.

Sensor arrangement (1) according to Claim 4 , the adaptation devices (112) each having a level converter (114), the impedance converters (113) and the level converters (114) being connected to one another in pairs, the level converters (114) and the evaluation devices (204) being connected to one another in pairs.

Sensor arrangement (1) according to one of the Claims 3 to 5 , each evaluation device (204) having an A / D converter (205) and a signal processing device (206), the A / D converter (205) and the signal processing devices (206) being connected to one another in pairs.

Sensor arrangement (1) according to Claim 6 , each evaluation device (204) having a CDS stage (207), the adaptation devices (112) and the CDS stages (207) being connected to one another in pairs, the CDS stages (207) and the A / D converter (205) are connected to each other in pairs.

Sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the first substrate (100) and the second substrate (200) are connected to one another by means of a bond connection.

LIDAR system (3) with an emitter (4) designed to emit electromagnetic radiation and a sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims.

LIDAR system (3) according to Claim 9 , wherein the CCD sensor (103) has a plurality of photodiodes (105), a plurality of shift registers (106) and a plurality of charge amplifiers (107), the photodiodes (105) in a regular matrix with a plurality of rows ( 108) and columns (109) are arranged, the shift registers (106) being designed to transport electrical charge carriers generated in the photodiodes (105) to a charge amplifier (107) and to provide the charge amplifiers (107), the charge amplifiers (107 ) are designed to generate a voltage signal from a provided electrical charge, a shift register (106) being provided for each row (108) of the matrix, a charge amplifier (107) being provided for each shift register (106), with the emitter (4) is designed to emit a vertical line, one column (109) of the matrix forming an active column (111), wherein the active column (111) is provided to detect electromagnetic radiation emitted by the emitter (4) and reflected on an object in the vicinity of the LIDAR system (3).