DE3840425A1 - Entfernungsbild-sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Entfernungsbild-Sensor gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Halbleiterbildsensoren sind bekannt. Ihre Anwendung ist z.B. in einem
Übersichtsaufsatz in der Zeitschrift Elektronik-Praxis Nr. 9 September
1978 Seite 12 ff. beschrieben.
Die Schwierigkeiten liegen in der Hochintegration und der anzuwendenden
Technologie, die bewältigt werden muß.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Bildsensor zu schaffen, der
unter Anwendung bekannter Halbleiterbauelemente und Technologien ein
steuerbarer Sensor mit großem Nutzsignal ist und damit neue Anwendungen
möglich werden.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 enthalten. Damit wird ein
elektrischer Verschluß für ein Photoelement geschaffen, dessen Nutzsig
nal gegenüber bekannten CCD-Anordnungen etwa 100-fach erhöht ist und bei
dem der Verstärkungseffekt mit Hilfe einer steuerbaren Avalanche-Span
nung einstellbar ist.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, daß ein CCD-Sensor geschaf
fen wird, der auftastbar ist in der Größenordnung etwa 10 ns und darun
ter (zwischen 1 und 10 ns). Eine Gesamtanordnung bzw. der Aufbau des Ge
samtsystems mit Sender und Empfänger ist in Fig. 1 ersichtlich. Die Er
findung gestattet die Anwendung eines Bildsensors für automatische Fahr
zeugführung, -lenkung, -leitung oder mit besonderem Vorteil in KFZ-La
ser-Abstandswarnsystemen, bei denen eine Laser-Entfernungsmessung zu dem
Hindernis, das stillsteht oder sich bewegt (Fahrzeug), mißt. Eine Abbil
dung, wie sie mit dem neuen Bildsensor gewonnen wird, ist unter dem
CCD-Array in Fig. 1 verkleinert dargestellt.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild mit den Funktionsblöcken selbstredend
dargestellt.
In Fig. 3 ist der Aufbau einer einzelnen fotoempfindlichen Zelle im
Querschnitt dargestellt, wobei der Strahlungseinfall, z.B. Licht, in
Fig. 3 von unten kommt. Im wesentlichen weist das Bildsensorelement auf
Halbleiterbasis eine pnp-Struktur auf. Auf der Unterseite im Grenzgebiet
zwischen dem p-Silizium und dem n-Silizium, über dem dann wieder eine
p-Siliziumschicht und darauf eine Siliziumdioxyd-Schicht folgt, ist eine
Avalanche-Diode mit Verstärker 10 ausgebildet. Die elektrische Steuerung
dieses Bildsensors erfolgt, indem eine Raumladung für den CCD-Transport
erzeugt wird in einem Gebiet 11, das wie Fig. 3 zeigt, räumlich mit Vor
teil etwa in einem zentralen Bereich des p-Siliziums über der hochohmi
ger n-Silizium-Schicht liegt. Über dem p-Silizium ist die transparente
Schicht, z.B. Silizium-Dioxyd, angeordnet und in einer leichten Senke
hierauf ebenso die CCD-Auslesestruktur z.B. Bereiche von Poly-Silizium
oder ähnlich geeignetem Material, das in einer bekannten Technik für
partielles Beschichten zum Herstellen einer Auslesestruktur hergestellt
wurde. Das Auslesen und Auswerten ist an sich bekannt, daher nicht näher
erläutert oder dargestellt.
Eine Einzelheit aus dem Bildsensorelement ist in Fig. 4 dargestellt. Im
oberen Teil dieser Fig. 4 ist wieder der wesentliche Schichtaufbau zu
erkennen mit der pnp-Struktur mit hochohmiger n-Schicht im mittleren Be
reich (sandwichartig). Auf der Oberseite in Fig. 4 ist eine dünne
SiO2-Schicht von Aluminium-Elektroden teilweise bedeckt für das Aus
lesen der CCD-Struktur. Der Lichteinfall bei einer Wellenlängen 11 der
zu messenden Strahlung kommt in Fig. 4 von unten. Der Avalanche-Effekt,
insbesondere Verstärkungseffekt bis zu 100-facher Verstärkung, ist sym
bolisch darunter dargestellt und das Anlegen einer negativen Steuerspan
nung, durch Auftasten im Bereich von etwa 5 ns, ebenfalls angedeutet in
Fig. 4 rechts unten, im Querschnitt neben der Schichtstruktur.
Das wesentliche am Aufbau des flächenhaften CCD-Sensors ist, daß an
einer Seite des Halbleiters die flächenhafte CCD-Struktur und auf der
entgegengesetzten Seite (Rückseite) des CCD-Sensors eine Avalanche-Diode
ausgebildet ist, insbesondere durch Implantieren bzw. Dotieren mit an
sich bekannten Stoffen. Wird bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau
zwischen der hochohmigen n- und der letzten p-Schicht eine hohe Spannung
angelegt, dann entsteht bei Lichteinfall an der entsprechenden Stelle
durch den Avalanche-Effekt eine hohe Feldstärke, die ihrerseits Ladungs
träger in der p-Schicht unter der CCD-Struktur erzeugt (vgl. Fig. 3),
welche mit Hilfe eines geeigneten Elektrodenaufbaus auslesbar sind. Da
die Avalanchediode über die gesamte Fläche wirksam ist aber der Ladungs
transport einzeln im Volumen des Halbleiters zu der CCD-Struktur hin er
folgt entsteht ein flächenhaftes Kontrast-Bild zum Zeitpunkt des Auf
tastens oder der Übertragung. Damit ist durch geeignete Wahl des Auf
tastzeitpunktes und der Auftastdauer und Korrelation der Auftastimpulse
mit den Sendeimpulsen ein Entfernungsbild darstellbar.
Mit der Erfindung wird ein elektrischer Verschluß für ein fotoempfindliches
Element, wie Bildsensor, geschaffen, das neben der großen Verstärkung
oder Empfindlichkeitserhöhung etwa um den Faktor 100 einen elektrischen
Verschluß insbesondere für eine CCD-Kamera schafft, die steuerbar ist in
kurzen Zeiten einer Größenordnung, insbesondere unter 10 ns Auftastzeit,
die bisher jedenfalls bei vergleichbarem Aufwand nicht erzielbar ist.
Die Anwendung der Erfindung ist bei einem Abstandswarnsystem und bei
einem automatischen Führungssystem "Prometheus" vgl. Bild der Wissen
schaft 10 - 1988, S. 134 besonders vorteilhaft.
Claims (5)
1. Entfernungsbild-Sensor mit einer gepulsten Lichtquelle mit
Sende- und Empfangsoptik und einer Zeitablaufsteuerung und einem mit
steuerbaren Verschluß (shutter) versehenen CCD-Array hinter der
Empfangsoptik nach Patent 37 32 347, dadurch gekennzeichnet, daß
- - auf der einen Seite des Halbleiters, eine Avalanchediode angeordnet ist,
- - durch die ein bei Lichteinfall von außen erzeugter Photostrom ver stärkt wird,
- - eine Raumladung im anschließenden Halbleitergebiet erzeugt wird und ein Ladungsträgertransport zur CCD-Struktur über eine steuerbare Elektrode erfolgt,
- - in der auf der anderen Seite des Halbleiters angeordneten CCD-Aus lesestruktur mit Auslese-Elektroden ein Kontrast- oder Entfernungs bild ausgegeben wird.
2. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er
durch Anlegen einer Spannung zwischen einer p-dotierten Schicht auf der
Seite für den Lichteinfall und einer anschließenden hochohmigen n-do
tierten Schicht elektrisch steuerbar ist.
3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
er zugleich als Verschluß (shutter) angewendet wird.
4. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß er in einem KFZ-Abstandswarnsystem mit Laser-Sender
und -Empfänger angewandt wird.
5. Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in
automatischen Fahrzeugführungssystem (mit ISDN-Leitspur) mit automa
tischer Abstandseinhaltung (gegenseitig) angewandt wird.
Priority Applications (1)
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Publications (1)
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ID=25860144
Family Applications (1)
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