EP2208033A2 - Multi-spectral sensor - Google Patents

Multi-spectral sensor

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EP2208033A2
EP2208033A2 EP09715284A EP09715284A EP2208033A2 EP 2208033 A2 EP2208033 A2 EP 2208033A2 EP 09715284 A EP09715284 A EP 09715284A EP 09715284 A EP09715284 A EP 09715284A EP 2208033 A2 EP2208033 A2 EP 2208033A2
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EP
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sensor
wavelength
filter structure
pixel
spectral
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Withdrawn
Application number
EP09715284A
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German (de)
French (fr)
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Norbert Weber
Stephan Junger
Wladimir Tschekalinskij
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

The invention relates to a multi-spectral image sensor having a two-dimensional array of super-pixels, wherein each super-pixel has at least five sensor elements (11), each comprising a pixel sensor (14), a filter structure (12) having at least one structured layer made of metal or polycrystalline semi-conductor material, which, in response to the electromagnetic radiation of a wavelength region, results in a higher transmission through the filter structure to the pixel sensor (14) than wavelengths surrounding the wavelength region, wherein the at least five sensor elements (12) are jointly integrated on a semi-conductor substrate (16) and are configured on different wavelength regions in pairs.

Description

MuItispektralsensor MuItispektralsensor
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Multi- spektralsensor mit spektralen Filterstrukturen aus wenigstens einer strukturierten Schicht aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial und der wenigstens einen strukturierten Schicht zugeordnete Pixelsensoren.The present invention relates to a multi-spectral sensor with spectral filter structures of at least one structured layer of metal or polycrystalline semiconductor material and the at least one structured layer associated with pixel sensors.
Optische Spektrometer bestehen derzeit in der Regel aus einem Aufbau, wie er schematisch in Fig. 33 dargestellt ist. Ein optisches System 431, wie z.B. eine Linse, sammelt und überträgt Licht auf eine Lichteintrittsöffnung 432, die die Auflösung des Spektrometers 430 definiert. Anschließend trifft das Licht auf eine Dispersionseinheit 433 und einen Zeilensensor 434, welcher das spektral aufgefächerte Licht detektiert. Das dispersive Element 433 ist dabei entweder ein Prisma oder ein Gitter und hat die Aufgabe, die einzel- nen Spektralanteile des Lichts in unterschiedlichen Winkeln abzulenken, so dass in einer gewissen Entfernung von dem dispersiven Element 433 eine ausreichende Trennung der Spektrallinien erfolgt und mit dem Zeilensensor 434 erfasst werden kann.At present, optical spectrometers usually consist of a construction, as shown schematically in FIG. 33. An optical system 431, e.g. a lens collects and transmits light to a light entrance port 432 which defines the resolution of the spectrometer 430. Subsequently, the light strikes a dispersion unit 433 and a line sensor 434, which detects the spectrally fanned out light. The dispersive element 433 is either a prism or a grating and has the task of deflecting the individual spectral components of the light at different angles, so that a sufficient separation of the spectral lines takes place at a certain distance from the dispersive element 433 and with the line sensor 434 can be detected.
Bei einfachen Spektrometeraufgaben mit nur wenigen zu messenden Spektrallinien können anstelle der Dispersionseinheit 433 auch Farbfilter verwendet werden, um die spektrale Trennung zu realisieren. Diese Farbfilter können entweder direkt auf dem Detektor 434 abgeschieden sein oder sich z.B. in einer Gehäusekappe des Detektors 434 befinden.For simple spectrometer tasks with only a few spectral lines to be measured, instead of the dispersion unit 433, color filters can also be used to realize the spectral separation. These color filters may either be deposited directly on the detector 434 or may be e.g. located in a housing cap of the detector 434.
In konventionellen Chip-Size-Spektrometern wird meist ein Verlaufsfilter benutzt, der zu einer ortsabhängigen spekt- ralen Filterung führt, wie es schematisch in Fig. 34 gezeigt ist. Hierzu sind aber zusätzliche Prozessschritte, wie z.B. das präzise Justieren und Verkleben optischer Filterelemente erforderlich. Ein weiterer Ansatz, eine lateral variierende spektrale Transmission zu erzielen, besteht darin, einen keilförmigen Resonator zwischen Bragg-Reflektoren zu verwenden, wie es schematisch in den Fig. 35a, b gezeigt ist.In conventional chip-size spectrometers, a gradient filter is usually used, which leads to a location-dependent spectral filtering, as shown schematically in FIG. 34. For this purpose, however, additional process steps, such as the precise adjustment and gluing of optical filter elements are required. Another approach to achieving laterally varying spectral transmission is to use a wedge-shaped resonator between Bragg reflectors, as shown schematically in Figs. 35a, b.
In den letzten Jahren sind mehrere Simulationen und Experimente veröffentlicht worden, welche auch für den sichtbaren Wellenlängenbereich eine spektrale Selektivität von Struk- turen bestätigen, die sog. Sub-Wellenlängen-Öffnungen in mehrstufig strukturierten Metallschichten aufweisen. In der Veröffentlichung P. B. Catrysse und B. A. Wandell, ,,In- tegrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology", wird ein Farbsensor auf der Ba- sis von periodisch strukturierten Metallschichten im Rahmen von CMOS-Technologie beschrieben. Die Autoren zeigen, dass eine spektrale Empfindlichkeit deutlich von geometrischen Parametern (Breite und Periode von Streifen einer Gitterstruktur) einer Sub-Wellenlängen-Struktur abhängig ist und dass bereits mit einer relativ einfachen Struktur wie einem Liniengitter steile Filterflanken, z.B. für ein Tiefpass- Filter, realisierbar sind.Several simulations and experiments have been published in recent years, which also confirm a spectral selectivity of structures for the visible wavelength range, which have so-called sub-wavelength openings in multi-level structured metal layers. The publication PB Catrysse and BA Wandell, "Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology", describes a color sensor based on periodically structured metal layers in the context of CMOS technology in that a spectral sensitivity is clearly dependent on geometric parameters (width and period of stripes of a lattice structure) of a sub-wavelength structure, and that steep filter edges, eg for a low-pass filter, can already be realized with a relatively simple structure such as a line grid.
Mit Hilfe von Sub-Wellenlängen-strukturierten Metallschich- ten eines CMOS-Prozesses und der dort vorhandenen pn- Ubergänge besteht die Möglichkeit, eine spektral empfindliche Photodiode zu realisieren. Fig. 36 zeigt dazu ein Beispiel für einen Schichtaufbau eines CMOS-Prozesses.With the aid of sub-wavelength-structured metal layers of a CMOS process and the pn junctions present there, it is possible to realize a spectrally sensitive photodiode. FIG. 36 shows an example of a layer structure of a CMOS process.
Fig. 36 zeigt ein Zwischenprodukt 460 eines CMOS-Prozesses, welches ein Substrat 461, insbesondere ein Halbleitersubstrat aufweist, in dem ein Pixelsensor 462 (z.B. Fotodiode) eingebracht ist. Dabei ist der Pixelsensor 462 in einer E- bene 463 angeordnet, die einen Feldkonzentrationsbereich (eine Art Brennebene, die man aus der klassischen Optik kennt) des darüber liegenden Schichtstapels aus metallischen Schichten 464 und dielektrischen Schichten 465 um- fasst. Fig. 36 zeigt lediglich exemplarisch drei metalli- sehe strukturierte Schichten 464-1 bis 464-3 und drei dielektrische Schichten 465-1 bis 465-3, die ebenfalls strukturiert sein können. Mit einer entsprechenden Array- förmigen Strukturierung der einzelnen Metallschichten, die man im Rahmen eines Chip-Designs definieren kann (z.B. Bild 36 rechts: oberste Schicht: Polygone, mittlere Schicht: kreisförmige Öffnungen, unterste Schicht: streifenförmig) erhält man eine definierte spektrale Transmission.FIG. 36 shows an intermediate product 460 of a CMOS process which has a substrate 461, in particular a semiconductor substrate, in which a pixel sensor 462 (eg photodiode) is introduced. In this case, the pixel sensor 462 is arranged in a plane 463 which encompasses a field concentration region (a type of focal plane known from classical optics) of the overlying layer stack of metallic layers 464 and dielectric layers 465. FIG. 36 shows by way of example only three metallic see structured layers 464-1 to 464-3 and three dielectric layers 465-1 to 465-3, which may also be patterned. With a corresponding array-shaped structuring of the individual metal layers, which can be defined in the context of a chip design (eg image 36 right: top layer: polygons, middle layer: circular openings, bottom layer: strip-shaped), a defined spectral transmission is obtained.
Beim Konzept des Spektrometers mit einer dispersiven Einheit müssen in der Regel drei verschiedene optisch aktive Bauteile (Eintrittsoptik, dispersives Element, Zeilensensor) verwendet werden. Diese Bauteile müssen sorgfältig justiert und aufgebaut werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Dies erfordert einerseits einen gewissen Aufwand bei der Montage und benötigt außerdem relativ viel Platz trotz der verwendeten Ansätze eines Mikrosystem-gerechten Aufbaus . Zudem sind die Einzelbauelemente, vor allem die Detektorzeile und das Gitter, das häufig ebenfalls mikro- systemtechnisch hergestellt wird, relativ teuer. Die Positionierung und Fixierung der optischen Bauteile erfordert eine hohe mechanische Präzision, was ebenfalls zu hohen Kosten führt. Für einen Einsatz in großen Stückzahlen oder bei geforderter, extrem kleiner Baugröße sind die existie- renden Lösungen daher kaum geeignet.The concept of the spectrometer with a dispersive unit usually requires the use of three different optically active components (entrance optics, dispersive element, line sensor). These components must be carefully adjusted and assembled to achieve the desired effect. On the one hand, this requires a certain amount of effort during assembly and, moreover, it requires a relatively large amount of space despite the approaches used by a microsystem-compatible structure. In addition, the individual components, especially the detector line and the grid, which is often also produced by microsystem technology, relatively expensive. The positioning and fixing of the optical components requires a high mechanical precision, which also leads to high costs. Therefore, the existing solutions are hardly suitable for use in large numbers or in the case of the required extremely small size.
Spektrometer, die auf Farbfiltern basieren, können prinzipiell kleiner oder billiger hergestellt werden, haben aber den Nachteil, dass die spektrale Auflösung bei gleichzeitig kleiner Baugröße begrenzt ist und dass daher nur relativ wenige Wellenlängen (ca. 3-5) sinnvoll damit gemessen werden können. Die Aufbautechnik erfordert entweder ein nachträgliches Aufbringen von Farbfiltern auf Detektor-Chips oder von Farbfolien in das Gehäuse und ist daher ebenfalls mit Aufwand verbunden. Außerdem muss der Lichteintritt senkrecht zur Sensoroberfläche erfolgen, um gute Filterwirkung zu erzielen. Daher wird eine externe Kollimationsoptik benötigt . Angesichts der genannten Nachteile des Stands der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung somit darin, ein verbessertes Konzept zum Aufbau von Multispektralsenso- ren bzw. Spektrometern bereitzustellen, welches die Realisierung von Multispektralsensoren bzw. Spektrometern mit geringer Baugröße und hoher spektraler Auflösung ermöglicht.Spectrometers that are based on color filters can in principle be made smaller or cheaper, but have the disadvantage that the spectral resolution is limited at the same time small size and therefore only relatively few wavelengths (about 3-5) can be meaningfully measured with it. The construction technique requires either a subsequent application of color filters on detector chips or color films in the housing and is therefore also associated with effort. In addition, the light must be perpendicular to the sensor surface to achieve good filtering effect. Therefore, an external collimating optics is needed. In view of the stated disadvantages of the prior art, the object of the present invention is therefore to provide an improved concept for the construction of multispectral sensors or spectrometers, which enables the realization of multispectral sensors or spectrometers of small size and high spectral resolution.
Diese Aufgabe wird durch einen integrierten Multispektral- sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 37, einen multispektralen Bildsensor nach Patentanspruch 38 und ein Verfahren nach Patentanspruch 44 gelöst.This object is achieved by an integrated multispectral sensor having the features of patent claim 1, a method according to patent claim 37, a multispectral image sensor according to patent claim 38 and a method according to patent claim 44.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Multispektralsensor bzw. Spektrometer mit den gewünschten Eigenschaften realisiert werden kann, indem eine Mehrzahl von Pixelsensoren (z.B. wenigstens fünf), in Form eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Sensorarrays, gemeinsam mit den Pixelsensoren zugeordneten spektralen Filterstrukturen aus wenigstens einer strukturierten Metallschicht auf einem Halbleitersubstrat integriert wird, so dass durch unterschiedliche spektrale Selektivität der spektralen Filterstrukturen ein Multispektralsensor, der beliebige Spektrallinien gleichzeitig detektieren kann, aufgebaut werden kann.The present invention is based on the finding that a multispectral sensor or spectrometer with the desired properties can be realized by providing a plurality of pixel sensors (eg at least five), in the form of a one-dimensional or two-dimensional sensor array, at least spectral filter structures associated with the pixel sensors a structured metal layer is integrated on a semiconductor substrate, so that by different spectral selectivity of the spectral filter structures, a multi-spectral sensor, which can detect arbitrary spectral lines simultaneously, can be constructed.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen einen multispektralen Bildsensor mit einem zweidimensionalen Array aus Superpixeln, wobei jeder Superpixel wenigstens fünf Sensorelemente aufweist. Dabei weist ein erstes Sensorelement einen ersten Pixelsensor und eine erste Filterstruktur auf, mit wenigstens einer strukturierten Me- tallschicht, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die erste Filterstruktur zu dem ersten Pixelsensor ergibt als für den ersten Wellenlängenbereich umge- bende Wellenlängen. Ein zweites Sensorelement weist einen zweiten Pixelsensor und eine zweite Filterstruktur auf, mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines zweiten WeI- lenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die zweite Filterstruktur zu dem zweiten Pixelsensor ergibt als für den zweiten Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind das erste und zweite Sensorelement gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat integ- riert.Embodiments of the present invention include a multi-spectral image sensor having a two-dimensional array of super pixels, each super pixel having at least five sensor elements. In this case, a first sensor element has a first pixel sensor and a first filter structure, with at least one structured metal layer which, in response to electromagnetic radiation of a first wavelength range, results in a higher transmission through the first filter structure to the first pixel sensor than for the first wavelength range. Bending wavelengths. A second sensor element has a second pixel sensor and a second filter structure with at least one structured metal layer which, in response to electromagnetic radiation of a second wavelength range, results in a higher transmission through the second filter structure to the second pixel sensor than wavelengths surrounding the second wavelength range. In preferred embodiments, the first and second sensor elements are integrated together on a semiconductor substrate.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen einen multispektralen Bildsensor zur Erfassung eines zweidimensionalen Bildfeldes, mit einem Zeilensensor mit einer Mehrzahl eindimensional angeordneten Sensorelementen zum spektralen Erfassen einer geometrischen Linie, wobei jedes Sensorelement einen Pixelsensor und eine Filterstruktur mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht aufweist, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung ei- nes dem Sensorelement zugeordneten Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die Filterstruktur zu dem Pixelsensor ergibt als für den zugeordneten Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen. Jedem Sensorelement ist ein anderer Wellenlängenbereich zugeordnet. Die Sensorelemente sind vorzugsweise gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat integriert. Ferner umfasst der multispektrale Bildsensor eine Einrichtung zum Abbilden einer Linie aus dem zweidimensionalen Bildfeld auf den Zeilensensor und eine Einrichtung zum Bewirken, dass eine auf den Zeilensensor abgebil- dete Linie das zweidimensionale Bildfeld durchläuft.Further embodiments of the present invention comprise a multispectral image sensor for detecting a two-dimensional image field, comprising a line sensor having a plurality of one-dimensionally arranged sensor elements for spectrally detecting a geometrical line, each sensor element having a pixel sensor and a filter structure with at least one structured metal layer which is responsive to electromagnetic Radiation of a wavelength range associated with the sensor element results in a higher transmission through the filter structure to the pixel sensor than wavelengths surrounding the assigned wavelength range. Each sensor element is assigned a different wavelength range. The sensor elements are preferably integrated together on a semiconductor substrate. Further, the multispectral image sensor includes means for mapping a line from the two-dimensional image field to the line sensor, and means for causing a line imaged on the line sensor to traverse the two-dimensional image field.
Die Einrichtung zum Abbilden einer Linie dient dabei zur Projektion der Linie auf eine Bildebene, in der sich der Zeilendetektor befindet. Sie kann beispielsweise eine Linse oder einen Hohlspiegel aufweisen.The device for imaging a line serves to project the line onto an image plane in which the line detector is located. It can for example have a lens or a concave mirror.
Die Einrichtung zum Bewirken, dass eine auf den Zeilensensor abgebildete Linie das zweidimensionale Bildfeld durch- läuft, erzeugt praktisch eine Abtastung unterschiedlicher Linien aus dem zweidimensionalen Bildfeld. Dies kann durch Bewegen des zweidimensionalen Bildfeldes an sich erfolgen, beispielsweise durch ein Transport- bzw. Förderband, oder durch Kippbewegung eines an einer Drehachse aufgehängten, elektromagnetische Strahlung reflektierenden Bauteils, wodurch unterschiedliche Linien des zweidimensionalen Bildfeldes auf den Zeilendetektor abgebildet werden können.The means for causing a line imaged on the line sensor to scan through the two-dimensional image field. running, practically produces a scan of different lines from the two-dimensional image field. This can be done by moving the two-dimensional image field itself, for example by a conveyor or conveyor belt, or by tilting a suspended on an axis of rotation, electromagnetic radiation reflecting component, whereby different lines of the two-dimensional image field can be imaged on the line detector.
Gemäß einer Ausführungsform können die spektralen Filterstrukturen zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung jeweils eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs ausgebildet sein. Die Pixelsensoren sind beispielsweise als Photodioden ausgebildet.According to one embodiment, the spectral filter structures may be designed to detect electromagnetic radiation in each case of a predetermined wavelength range. The pixel sensors are designed, for example, as photodiodes.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die strukturierten Metallschichten der spektralen Filterstrukturen Eigenschaften eines photonischen Kristalls auf. Unter einem photonischen Kristall soll im Nachfolgenden eine dreidimensionale periodische Struktur verstanden werden, deren periodisch angeordnete Strukturelemente Abmessungen und Abstände zueinander aufweisen, die in der Größenordnung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs für elektromagnetische Strahlung liegen, der durch einen photonischen Kristall zu einem ihm zugeordneten Pixelsensor transmittiert werden kann. Photonische Kristalle umfassen strukturierte Metalle, Halbleiter, Gläser oder Polymere und zwingen elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, in der sich für eine Bauteilfunktion notwen- digen Art und Weise im Medium auszubreiten. Es sind gemäß Ausführungsbeispielen periodisch dielektrische und/oder metallische Strukturen, deren Periodenlänge so eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, in ähnlicher Weise beeinflussen, wie das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung von Elektroden. Dies führt dazu, dass sich e- lektromagnetische Strahlung bzw. Licht bestimmter Wellenlängen nicht im photonischen Kristall ausbreiten kann. Die- se Wellenlängen sind dann gewissermaßen verboten. Die spektrale Filterwirkung photonischer Kristalle ist seit einigen Jahren bekannt und durch Experimente bestätigt. Beispielsweise zeigen Ergebnisse in „Air-bridged phototonic crystal slabs at visible and near-infrared wavelenghts" K.B. Crozier, Virginie Lousse, Onur Kilic, Sora Kim, Shan- hui Fan, and Olav Solgaard, dass bei dreidimensional periodisch strukturierten Metallflächen nicht alle Wellenlängen gleichermaßen durch solche Strukturen hindurchtreten, wenn die Strukturen kleiner als die Wellenlänge sind. Aus der Arbeit „The Optical Properties of Metal Nanoparticles : The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment" K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, and George C. Schatz folgt, dass die spektralen Eigenschaften solcher pe- riodischer Strukturen stark von der Form der einzelnen Strukturelemente abhängen. Die fokussierende Wirkung dreidimensionaler photonischer Kristalle (d.h. eine Ablenkung elektromagnetischer Strahlung vom Rand zur Mitte des photonischen Kristalls hin) wurde gezeigt in „Analysis of focu- sing effects of 3-D photonic crystal lens by the method of moments" Chaowei Su, Chi Hou Chan, Ka Fai Chan.According to one exemplary embodiment, the structured metal layers of the spectral filter structures have properties of a photonic crystal. A photonic crystal is to be understood below to mean a three-dimensional periodic structure whose periodically arranged structural elements have dimensions and distances from one another which are of the order of magnitude of a predetermined wavelength range for electromagnetic radiation which can be transmitted through a photonic crystal to a pixel sensor assigned to it. Photonic crystals comprise structured metals, semiconductors, glasses or polymers and force electromagnetic radiation, in particular light, by means of their specific structure to propagate in the medium in the manner required for a component function. Periodically according to exemplary embodiments, dielectric and / or metallic structures whose period length is adjusted so as to influence the propagation of electromagnetic radiation, in particular light, in a manner similar to the periodic potential in semiconductor crystals, propagate electrodes. This leads to the fact that electromagnetic radiation or light of certain wavelengths can not propagate in the photonic crystal. The- These wavelengths are then forbidden. The spectral filtering effect of photonic crystals has been known for some years and confirmed by experiments. For example, results in Air-bridged phototonic crystal slabs at visible and near-infrared wavelenghts KB Crozier, Virginie Lousse, Onur Kilic, Sora Kim, Shanhui Fan, and Olav Solgaard show that not all wavelengths are alike for periodically structured metal surfaces Passing through such structures when the structures are smaller than the wavelength From the work "The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment" K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, and George C. Schatz concludes that the spectral properties of such periodic structures depend strongly on the shape of the individual structural elements. The focusing effect of three-dimensional photonic crystals (ie, a deflection of electromagnetic radiation from the edge towards the center of the photonic crystal) was shown in "Analysis of focussing effects of 3-D photonic crystal lens by the method of moments" Chaowei Su, Chi Hou Chan , Ka Fai Chan.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu einer Mehrzahl von array- oder matrix-förmig angeordneten Pixelsensoren auf einem Halbleitersubstrat jedem Pixelsensor wenigstens ein photonischer Kristall bzw. eine periodische Anordnung von photonischen Kristallen aus einem Schichtstapel aus strukturierten metallischen dielektrischen Schichten zugeordnet und integriert, mit op- tisch filternden und fokussierenden Eigenschaften. Die strukturierten Metallschichten weisen dazu Struktur- bzw. Mikroelemente auf, deren Abmessungen und Abstände zueinander in der Größenordnung des jeweiligen vorbestimmten Wellenlängenbereichs liegen, für den die zugeordnete integ- rierte spektrale Filterstruktur in Form wenigstens eines photonischen Kristalls ausgebildet ist. Die Mikroelemente der Metallschichten sind dreidimensional periodisch angeordnet. Gemäß Ausführungsbeispielen sind benachbarte Mikro- elemente benachbarter Metallschichten für einen vorbestimm- ten Wellenlängenbereich identisch ausgebildet und liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse. Mikroelemente können gemäß Ausführungsbeispielen MikroÖffnungen mit Abmessungen und Abständen in dem jeweils vorgesehenen Transmissionswellenlängenbereich sein. Gemäß Ausführungsbeispielen umfassen die Mikroelemente sogenannte Split-Ring-Resonatoren mit Abmessungen und Abständen in dem jeweiligen vorbestimmten Transmissionsbereich.According to exemplary embodiments of the present invention, in addition to a plurality of arrayed or arrayed pixel sensors on a semiconductor substrate, each pixel sensor is assigned and integrated with at least one photonic crystal or a periodic array of photonic crystals from a layer stack of structured metallic dielectric layers, with op - table filtering and focusing properties. For this purpose, the structured metal layers have structure or microelements whose dimensions and distances from each other are of the order of the respective predetermined wavelength range for which the associated integrated spectral filter structure is in the form of at least one photonic crystal. The microelements of the metal layers are periodically arranged in three dimensions. According to embodiments, adjacent micro elements of adjacent metal layers are formed identically for a predetermined wavelength range and lie on a common optical axis. Microelements may according to embodiments be micro-openings with dimensions and distances in the respectively provided transmission wavelength range. According to embodiments, the microelements comprise so-called split-ring resonators with dimensions and distances in the respective predetermined transmission range.
Eine auf einer einem Pixelsensor bzw. einer Photodiode abgewandten Seite des wenigstens einen photonischen Kristalls einer spektralen Filterstruktur einfallende elektromagnetische Strahlung wird durch die auf den jeweils vorbestimmten Wellenlängenbereich abgestimmte dreidimensionale periodische Struktur des als Filterstruktur wirkenden wenigstens einen photonischen Kristalls gefiltert, so dass in einer Nähe des Pixelsensors nur noch elektromagnetische Strahlung des vorbestimmten Wellenlängenbereichs empfangbar ist. Das heißt, der Pixelsensor ist in einem Feldkonzentrationsbereich (quasi ein Brennpunktbereich, wenn man den photonischen Kristall als Linse betrachten würde) der Filterstruktur für die elektromagnetische Strahlung angeordnet. Durch die fokussierende Wirkung der Filterstruktur bzw. des we- nigstens einen photonischen Kristalls wird in der Nähe des Pixelsensors das elektromagnetische Feld des vorbestimmten Wellenlängenbereichs konzentriert .An electromagnetic radiation incident on a side of the at least one photonic crystal of a spectral filter structure facing away from a pixel sensor or a photodiode is filtered by the three-dimensional periodic structure of the at least one photonic crystal acting as a filter structure so as to be close to the at least one predetermined wavelength range Pixelsensors only electromagnetic radiation of the predetermined wavelength range is receivable. That is, the pixel sensor is disposed in a field concentration region (a quasi focal region, if one would consider the photonic crystal as a lens) of the electromagnetic radiation filter structure. Due to the focusing effect of the filter structure or of the at least one photonic crystal, the electromagnetic field of the predetermined wavelength range is concentrated in the vicinity of the pixel sensor.
Um die spektral selektierende Wirkung einer spektralen FiI- terstruktur gemäß Ausführungsbeispielen zu verbessern, kann zwischen einem Pixelsensor und der Filterstruktur mit dem wenigstens einen photonischen Kristall eine Metallschicht mit einer Öffnung angeordnet werden. Dabei befindet sich der Mittelpunkt der Öffnung, welcher insbesondere eine kreisförmige Öffnung sein kann, vorzugsweise auf der optischen Achse der Filterstruktur (Mikrolinse auf Basis photonischer Kristalle) nahe dem Feldkonzentrationsbereich. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Abstand zwischen den Pixelsensoren und den als spektrale Filterstrukturen wirkenden photonischen Kristallen kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm. Bei 0,18 μm-CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen einem Pixelsensor und einer spektralen Filterstruktur kleiner als 2 μm.In order to improve the spectrally selecting effect of a spectral filter structure according to exemplary embodiments, a metal layer with an opening can be arranged between a pixel sensor and the filter structure with the at least one photonic crystal. In this case, the center of the opening, which may in particular be a circular opening, is preferably located on the optical axis of the filter structure (microlens based on photonic crystals) near the field concentration range. According to exemplary embodiments, the distance between the pixel sensors and the photonic crystals acting as spectral filter structures is less than 20 μm and preferably less than 8 μm. For 0.18 μm CMOS processes, the distance between a pixel sensor and a spectral filter structure is less than 2 μm.
Aus einer Mehrzahl von als optische Sensoren wirkenden integrierten Sensorelementen kann ein Multispektralsensor aufgebaut werden, der beliebige Spektrallinien gleichzeitig detektieren kann, indem eine Mehrzahl von Sensorelementen aus spektralen Filterstrukturen mit photonischen Kristallen und Pixelsensoren in einer Ebene benachbart zueinander integriert wird. Dabei entsteht ein Array bzw. eine Matrix aus Sensorelementen mit photonischen Kristallen. Dabei können die photonischen Kristalle der einzelnen Sensorelemente auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden. Für einen Multispektralsensor werden benachbarte Sensorelemente auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge einge- stellt.From a plurality of integrated sensor elements acting as optical sensors, a multispectral sensor can be constructed which can simultaneously detect any spectral lines by integrating a plurality of sensor elements made of spectral filter structures with photonic crystals and pixel sensors in a plane adjacent to one another. This results in an array or a matrix of sensor elements with photonic crystals. The photonic crystals of the individual sensor elements can be adjusted to different wavelength ranges. For a multispectral sensor, adjacent sensor elements are set to light of different wavelengths.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist bei den Sensorelementen eines Multispektral- sensors jeweils ein Pixelsensor gemeinsam mit einem Schichtstapel aus dielektrischen Schichten und strukturierten Metallschichten auf ein Substrat integriert, wobei die strukturierten Metallschichten eine Zonenplattenstruktur aufweisen, wie z.B. ein Array von Zonenplatten, die einem Pixelsensor zugeordnet sind.According to a further exemplary embodiment of the present invention, in the case of the sensor elements of a multispectral sensor, a respective pixel sensor is integrated together with a layer stack of dielectric layers and structured metal layers on a substrate, the structured metal layers having a zone plate structure, such as e.g. an array of zone plates associated with a pixel sensor.
Eine Zonenplatte weist eine fokussierende Wirkung auf. Aus der Theorie der Zonenplatte folgt, dass bei einem entsprechenden Verhältnis von Radien von transparenten und nichttransparenten Zonen in einem bestimmten Abstand von der Zo- neplatte für eine vorbestimmte Wellenlänge bzw. einen vorbestimmten Wellenlängenbereich eine Konzentration der e- lektromagnetischen Strahlung bzw. des Lichts ähnlich einem Brennpunkt entsteht. Ein an dieser Stelle platzierter Pi- ^A zone plate has a focusing effect. From the theory of the zone plate, it follows that with a corresponding ratio of radii of transparent and non-transparent zones at a certain distance from the zone plate for a predetermined wavelength or a predetermined wavelength range, a concentration of the electromagnetic radiation or the light is similar to one Focal point arises. A pilot placed at this point ^
xelsensor, beispielsweise in Form einer Photodiode, kann nun von einer mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht so abgedeckt werden, dass nur die elektromagnetische Strahlung bzw. das Licht der gewünschten Wellenlänge λdeS oder des gewünschten Wellenlängenbereichs zumindest näherungsweise verlustfrei auf dem Pixelsensor trifft, während andere Wellenlängen herausgefiltert werden.The xelsensor, for example in the form of a photodiode, can now be covered by a structured with zone plate structure metal layer so that only the electromagnetic radiation or the light of the desired wavelength λ deS or the desired wavelength range meets at least approximately lossless on the pixel sensor, while other wavelengths filtered out become.
Durch eine optionale, weitere strukturierte Metallschicht, beispielsweise mit einer Öffnung, zwischen der mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht und dem Pixelsensor kann eine spektrale Trennung gegenüber Ausführungsbeispielen ohne diese weitere Metallschicht nochmals verbessert werden.By means of an optional, further structured metal layer, for example with an opening, between the metal layer structured with zone plate structure and the pixel sensor, a spectral separation can be further improved compared to exemplary embodiments without this further metal layer.
Eine auf einer dem Pixelsensor bzw. der Photodiode abgewandten Seite der mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht einfallende elektromagnetische Strahlung wird durch die auf den vorbestimmten Wellenlängenbereich abge- stimmte Zonenplattenstruktur gefiltert, so dass in einer Nähe des Pixelsensors nur noch elektromagnetische Strahlung des vorbestimmten Wellenlängenbereichs empfangbar ist. Das heißt der Pixelsensor ist in einem Feldkonzentrationsbereich - im Folgenden auch manchmal als Brennpunktbereich bezeichnet - der Zonenplatte angeordnet. Durch die fokus- sierende Wirkung der Zonenplatte wird in der Nähe des Pixelsensors das elektromagnetische Feld des vorbestimmten Wellenlängenbereichs konzentriert .An electromagnetic radiation incident on a side of the zone layer structure-structured metal layer remote from the pixel sensor or the photodiode is filtered by the zone plate structure tuned to the predetermined wavelength range, so that only electromagnetic radiation of the predetermined wavelength range can be received in a vicinity of the pixel sensor. That is to say that the pixel sensor is arranged in a field concentration region-also sometimes referred to as a focal point region-of the zone plate in the following. Due to the focusing effect of the zone plate, the electromagnetic field of the predetermined wavelength range is concentrated near the pixel sensor.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Abstand zwischen dem Pixelsensor und der nächstgelegenen mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht eines Sensorelements kleiner als 20 μm oder liegt zwischen 6 und 10 μm.According to exemplary embodiments, the distance between the pixel sensor and the nearest zone layer structure of the metal layer of a sensor element is less than 20 μm or is between 6 and 10 μm.
Aus einer Mehrzahl derartiger Sensorelemente kann beispielsweise ein integrierter Multispektralsensor aufgebaut werden, indem eine Mehrzahl von Sensorelementen mit Zonenplatten und Pixelsensoren in einer Ebene benachbart zuein- ander integriert werden. Dabei können einzelnen Zonenplatten aus dem Array der einzelnen Sensorelemente auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden.For example, from a plurality of such sensor elements, an integrated multispectral sensor can be constructed by connecting a plurality of sensor elements with zone plates and pixel sensors in a plane adjacent to one another. integrated. In this case, individual zone plates from the array of the individual sensor elements can be set to different wavelength ranges.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein einzelnes Sensorelement des integrierten Multispektralsensors bzw. Spektrometers aus einem Pixelsensor und einer den Pixelsensor abdeckenden Metallstruktur beispielsweise einer oder mehrerer strukturierten Metall- schichten gebildet, die so strukturiert sind, dass sich für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich bzw. eine vorbestimmte Wellenlänge ein Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ausbilden kann. Durch eine Sub-Wellenlängen-Öffnung in der strukturierten Metallschicht kann sich für die vorbestimmte Wellenlänge aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts in der Nähe des Pixelsensors eine elektromagnetische Feldkonzentration ausbilden, die dann von dem Pixelsensor de- tektiert werden kann.According to a further exemplary embodiment of the present invention, a single sensor element of the integrated multispectral sensor or spectrometer is formed from a pixel sensor and a metal structure covering the pixel sensor, for example one or more structured metal layers which are structured such that for a predetermined wavelength range predetermined wavelength can form a plasmon-polariton resonance effect. Through a sub-wavelength opening in the patterned metal layer, an electromagnetic field concentration can form for the predetermined wavelength due to the plasmon-polariton resonance effect in the vicinity of the pixel sensor, which can then be detected by the pixel sensor.
Der Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt führt zu einer sogenannten außergewöhnlichen optischen Übertragung, die durch Schlitze oder Löcher in Metallen stattfinden kann, die schneller als eine Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs bzw. die vordefinierten Resonanzwellenlänge sind. Wenn elektromagnetische Strahlung außerhalb des vordefinierten Wellenlängenbereichs, d.h. mit einer anderen Wellenlänge als die vordefinierte Resonanzwellenlänge, auf eine solche strukturierte Metallschicht trifft, breitet sie sich jenseits einer zweiten Seite der strukturierten Me- tallschicht lediglich an einer Sub-Wellenlängen-Öffnung aus, als wäre sie dort isotropisch gebeugt worden, d.h. sie streut gleichmäßig in alle Richtungen. Der größte Teil aber wird auf der ersten Seite am Metall zurückreflektiert bzw. gestreut. Wenn die Sub-Wellenlängen-Öffnung auf der ersten Seite der strukturierten Metallschicht jedoch beispielsweise von periodischen Furchen bzw. Rillen umgeben ist, deren Abmessungen auf den vordefinierten Wellenlängenbereich abgestimmt sind, breitet sich ausgehend von der Sub- Wellenlängen-Öffnung jenseits der zweiten Seite der strukturierten Metallschicht für elektromagnetische Strahlung des vordefinierten Wellenlängenbereichs gerichtete stark isotropische elektromagnetische Strahlung aus.The plasmon-polariton resonance effect results in a so-called extraordinary optical transmission that can take place through slits or holes in metals that are faster than a wavelength of the predefined wavelength range or the predefined resonance wavelength. When electromagnetic radiation outside of the predefined wavelength range, ie at a different wavelength than the predefined resonance wavelength, encounters such a structured metal layer, it spreads beyond a second side of the structured metal layer only at a sub-wavelength aperture as if it were There it has been diffracted isotropically, ie it spreads evenly in all directions. But most of it is reflected back or scattered on the metal on the first page. However, when the sub-wavelength opening on the first side of the patterned metal layer is surrounded, for example, by periodic grooves, the dimensions of which are tuned to the predefined wavelength range, it spreads starting from the sub-wavelength. Wavelength opening directed beyond the second side of the structured metal layer for electromagnetic radiation of the predefined wavelength range directed strongly isotropic electromagnetic radiation.
Dieses Phänomen rührt von sogenannter Oberflächenplasmonen- resonanz her. Ein Oberflächenplasmon ist eine Dichteschwankung von Ladungsträgern an der Grenze von Halbleitern oder Metallen zu dielektrischen Medien und ist beispielsweise eine von vielen Interaktionen zwischen Licht und einer metallischen Oberfläche.This phenomenon results from so-called surface plasmon resonance. A surface plasmon is a density variation of charge carriers at the boundary of semiconductors or metals to dielectric media and is one of many interactions between light and a metallic surface, for example.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist das Metall der Metallstruktur zusammen mit einem umgebenden Dielektrikum eine effektive negative Dielektrizitätskonstante auf. Negative effektive Dielektrizitätskonstanten bei Frequenzen von e- lektromagnetischer Strahlung im optischen Spektralbereich weisen beispielsweise Aluminium (Al) , Gold (Au) , SilberAccording to embodiments, the metal of the metal structure together with a surrounding dielectric has an effective negative dielectric constant. Negative effective dielectric constants at frequencies of electromagnetic radiation in the optical spectral range include, for example, aluminum (Al), gold (Au), silver
(Ag) und Kupfer (Cu) auf.(Ag) and copper (Cu) on.
Eine Metallstruktur weist beispielsweise eine strukturierte Metallschicht mit einer Öffnung mit Sub-Wellenlängen- Abmessungen, im Folgenden auch als Sub-Wellenlängen-Öffnung bezeichnet, und um die Sub-Wellenlängen-Öffnung periodisch angeordnete rotationssymmetrische oder parallele Rillen bzw. entsprechende Vorsprünge bzw. Erhöhungen auf, die derart angeordnet in einem Dielektrikum eingebettet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der strukturierten Metallschicht den Oberflächen-Plasmon-Polariton- Resonanz-Effekt zu erzeugen. Dabei ist eine SubWellenlängen-Öffnung eine Öffnung mit einer Breite bzw. einem Durchmesser kleiner als eine Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs bzw. die Resonanzwellenlänge.A metal structure has, for example, a structured metal layer with an opening with sub-wavelength dimensions, hereinafter also referred to as sub-wavelength opening, and rotationally symmetrical or parallel grooves or corresponding projections or elevations arranged periodically around the sub-wavelength opening embedded in a dielectric so arranged to produce the surface plasmon-polariton resonance effect for the predetermined wavelength range in the patterned metal layer. In this case, a sub-wavelength opening is an opening having a width or a diameter smaller than a wavelength of the predefined wavelength range or the resonance wavelength.
Gemäß Ausführungsformen kann die Sub-Wellenlängen-Öffnung rotationssymmetrisch bzw. kreisförmig oder schlitzförmig ausgebildet sein. Ein Durchmesser bzw. eine Breite der SubWellenlängen-Öffnung ist dabei kleiner als die Resonanzwel- lenlänge. Neben einer schlitzförmigen Sub-Wellenlängen- Öffnung sind periodisch parallele Rillen in der strukturierten Metallschicht angeordnet, wobei Abstände und Abmessungen der Rillen geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich den Oberflächen-Plasmon-Polariton- Effekt zu erzeugen. Um eine kreisförmige Sub-Wellenlängen- Öffnung sind periodisch ringförmige Rillen in der strukturierten Metallschicht angeordnet, wobei Abstände und Abmessungen der ringförmigen Rillen geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich den Oberflächen-Plasmon- Polariton-Effekt zu erzeugen.According to embodiments, the sub-wavelength opening may be rotationally symmetrical or circular or slot-shaped. A diameter or a width of the sub-wavelength opening is smaller than the resonance wavelength. lenlänge. In addition to a slit-shaped sub-wavelength aperture, periodic parallel grooves are arranged in the patterned metal layer, where distances and dimensions of the grooves are suitable for producing the surface plasmon-polariton effect for the predetermined wavelength range. Circumferential annular grooves are arranged in the patterned metal layer around a circular sub-wavelength aperture, with distances and dimensions of the annular grooves suitable for producing the surface plasmon-polariton effect for the predetermined wavelength range.
Eine weitere Möglichkeit, die Metallschicht geeignet zu strukturieren, besteht darin, einen eindimensionalen oder zweidimensionalen Array aus periodisch angeordneten SubWellenlängen-Öffnungen in die Metallschicht einzubringen.Another way of structuring the metal layer suitably is to introduce a one-dimensional or two-dimensional array of periodically arranged sub-wavelength openings into the metal layer.
Aus einer Mehrzahl von Sensorelementen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Multispekt- ralsensor aufgebaut werden, indem die Mehrzahl von Sensorelementen in einer Ebene benachbart zueinander integriert wird. Dabei können die Metallschichtstrukturen der einzelnen Sensorelemente auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden.From a plurality of sensor elements according to embodiments of the present invention, a multi-sensor sensor can be constructed by integrating the plurality of sensor elements in a plane adjacent to each other. In this case, the metal layer structures of the individual sensor elements can be set to different wavelength ranges.
Mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Multispektralsensor aufzubauen, der beliebige Spektrallinien gleichzeitig detektieren kann, ohne dass dazu eine Beschichtung des Sensors bzw. des Sensorchips er- forderlich ist. Der Multispektralsensor kann in allen CMOS- Prozesson integriert werden, die eine minimale Strukturgröße von 0,18 μm oder kleiner aufweisen. Für die Erkennung von Licht bei größeren Wellenlängen, z.B. im nahen Infrarot-Bereich (800 nm bis 1100 nm) kann der Multispektralsen- sor auch mit größeren Strukturen gefertigt werden, solange die Strukturgröße nicht größer ist als die halbe Wellenlänge des zu messenden Lichts. Ein durch das erfindungsgemäße Konzept realisierter Multi- spektralsensor bzw. Spektrometer ist aus einer Photodiodenzeile oder einem zweidimensionalen Photodiodenarray aufgebaut. Oberhalb einer jeden Photodiode wird ein entsprechen- der schmalbandiger Filter realisiert, der auf Basis von strukturierten Metall- und/oder Dielektrikumsschichten gebildet wird. Dabei sind die Strukturgrößen im Sub-Lambda- Bereich (bezogen auf die zu detektierenden Wellenlängen) . Die gesamte Filteranordnung deckt einen bestimmten Spekt- ralbereich ab, so dass das Photodiodenarray mit den Filtern die gleiche Wirkung hat wie ein dispersives Element (Prisma oder Gitter) in der Spektroskopie.With exemplary embodiments of the present invention, it is possible to construct a multispectral sensor which can detect arbitrary spectral lines at the same time, without the need for coating the sensor or the sensor chip. The multispectral sensor can be integrated into any CMOS processor that has a minimum feature size of 0.18 μm or smaller. For the detection of light at longer wavelengths, eg in the near infrared range (800 nm to 1100 nm), the multispectral sensor can also be fabricated with larger structures, as long as the structure size is not greater than half the wavelength of the light to be measured. A multi-spectral sensor or spectrometer realized by the inventive concept is constructed from a photodiode line or a two-dimensional photodiode array. Above each photodiode a corresponding narrow-band filter is realized, which is formed on the basis of structured metal and / or dielectric layers. The structure sizes are in the sub-lambda range (relative to the wavelengths to be detected). The entire filter arrangement covers a specific spectral range, so that the photodiode array with the filters has the same effect as a dispersive element (prism or grating) in spectroscopy.
Zum Aufbau des Multispektralsensors bzw. Spektrometers wird ein Sensorchip verwendet, der mit einer Standard-CMOS- Technologie mit genügend kleiner Strukturgröße hergestellt wurde. Der Sensorchip ist als Array von Einzelsensoren aufgebaut. Die einzelnen Sensorelemente bzw. die darüber liegenden Filterschichten sind so ausgeführt, dass sie jeweils eine Bandpasscharakteristik haben. Die Filter sind dabei nach einer der oben beschriebenen Struktur realisiert (photonischer Kristall, Zonenplatten, Plasmon-Polariton- Resonanz-Effekt) . Mit einer Vielzahl solcher Elemente wird eine optische Filterbank mit darunter liegenden Detektoren aufgebaut.For the construction of the multispectral sensor or spectrometer a sensor chip is used, which was manufactured with a standard CMOS technology with sufficiently small structure size. The sensor chip is constructed as an array of individual sensors. The individual sensor elements or the overlying filter layers are designed so that they each have a bandpass characteristic. The filters are realized according to one of the structures described above (photonic crystal, zone plates, plasmon-polariton resonance effect). With a variety of such elements, an optical filter bank is constructed with underlying detectors.
Ein Spektrometer kann gemäß Ausführungsbeispielen mit oder ohne einem zusätzlichen optischen System vor dem Empfänger realisiert werden. Die einzelnen Sensorelemente können so ausgelegt werden, dass sie eine fokussierende Wirkung haben, so dass der Multispektralsensor nur auf einen bestimmten Empfangs-Raumwinkel empfindlich wird. Gemäß Ausführungsbeispielen werden die Sensorelemente so angeordnet, dass der Multispektralsensor entweder mit Einkoppeloptik oder mit einer optischen Faser gut ausgeleuchtet werden kann. Die Geometrie der Anordnung kann beim Chip-Design frei definiert werden. Der Multispektralsensor ist daher in der Lage, viele Spektrallinien gleichzeitig zu erfassen und zu detektieren. Gemäß Ausführungsbeispielen kann auch noch an jedes Pixel on-Chip eine analoge oder digitale Signalverarbeitungsschaltung mit integriert werden.A spectrometer may be implemented according to embodiments with or without an additional optical system in front of the receiver. The individual sensor elements can be designed so that they have a focusing effect, so that the multi-spectral sensor is sensitive only to a certain receiving solid angle. According to embodiments, the sensor elements are arranged so that the multi-spectral sensor can be well illuminated either with coupling optics or with an optical fiber. The geometry of the arrangement can be freely defined in the chip design. The multispectral sensor is therefore able to detect many spectral lines simultaneously and to detect. According to embodiments, an analog or digital signal processing circuit can also be integrated with each pixel on-chip.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Realisierung eines Spektrometers, das die Funktionen der spektralen Trennung, der Lichtdetektion und der Bündelung des Lichts sämtlich auf einem Chip vereint. Dabei können Ausführungsbeispiele derart aufgebaut werden, dass ein Spektrometer nicht oder nur unwesentlich größer als defr zugrunde liegende Multispektral-Detektorchip ist.Embodiments of the present invention make it possible to realize a spectrometer which combines the functions of spectral separation, light detection and light bundling all on one chip. In this case, embodiments can be constructed such that a spectrometer is not or only slightly larger than def r underlying underlying multispectral detector chip.
Ein Multispektralsensor bzw. Spektrometer gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ohne exter- ne Eintrittsoptik oder Strahlkollimation auskommen und in einem Raumwinkel das entsprechende Spektrum messen.A multispectral sensor or spectrometer according to exemplary embodiments of the present invention can do without external entry optics or beam collimation and measure the corresponding spectrum in a solid angle.
Integrierte Multispektralsensoren bzw. Spektrometer gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können so ausgelegt werden, dass mehrere Spektralbereiche beliebig definiert und auf einem Chip gemessen werden können, auch mit verschiedenen spektralen Auflösungen. Die einzelnen Spektralkanäle können dabei eine sehr kleine spektrale Breite haben, wesentlich kleiner als beispielsweise bei ei- nem RGB-Sensor auf einem CMOS-Chip. Eine derartig schmale spektrale Breite kann ansonsten nur mit einem teuren Interferenz-Filter erreicht werden, noch dazu muss dann eine aufwendige Justierung des Filters zum Sensor vorgenommen werden.Integrated multispectral sensors or spectrometers according to embodiments of the present invention can be designed such that a plurality of spectral ranges can be arbitrarily defined and measured on a chip, even with different spectral resolutions. The individual spectral channels can have a very small spectral width, much smaller than, for example, with an RGB sensor on a CMOS chip. Such a narrow spectral width can otherwise only be achieved with an expensive interference filter; in addition, a complex adjustment of the filter to the sensor must then be undertaken.
Ausführungsbeispiele ermöglichen also den Aufbau eines Chip-Size-Spektrometers, das in CMOS-Technologie kostengünstig und in großen Stückzahlen hergestellt werden kann. Dadurch eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten in der Mas- senanwendung, die extrem kleine Baugröße und/oder geringe Kosten erfordert. Es ist sogar ein Einweg-Messchip denkbar, der extrem kostengünstig gefertigt werden kann. Denkbare Anwendungen sind beispielsweise eine Überwachung des Müdigkeitszustandes von Autofahrern durch spektroskopische Messung des Bluts in einem Finger, Multigasanalysen bei der Lebensmittelüberwachung, Erkennung von bestimmten organischen Abweichungen (Gammelfleisch, Pflanzenkrankheiten etc.) und vieles andere mehr. Beispielsweise ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch den Aufbau einer Multispektralkamera. Bilder, die damit erzeugt werden können, enthalten ein Vielfaches an Spektral- Informationen verglichen mit einem Standard-Kamerachip auf RGB-Basis.Exemplary embodiments thus make it possible to construct a chip-size spectrometer that can be produced cost-effectively and in large quantities in CMOS technology. This opens up new application possibilities in the mass application, which requires extremely small size and / or low costs. It is even a disposable measuring chip conceivable that can be manufactured extremely inexpensively. Conceivable applications are, for example, monitoring of the fatigue state of motorists by spectroscopic measurement of the blood in a finger, multi-gas analyzes in food monitoring, detection of certain organic deviations (rotten meat, plant diseases, etc.) and much more. For example, embodiments of the present invention also enable the construction of a multi-spectral camera. Images that can be created contain a multiple of spectral information compared to a standard camera chip based on RGB.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils eines integrierten multispektralen Bildsensors mit Superpixeln mit einem ersten und einem zweiten Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;1 shows a schematic representation of part of an integrated multispectral image sensor with superpixels having a first and a second sensor element according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 2a eine schematische Darstellung eines Aufbaus und einer Funktion eines integrierten Multispektralsensors in Zeilenform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;Fig. 2a is a schematic representation of a structure and a function of an integrated multispectral sensor in line form according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2b eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines multispektralen Bildsensors mit Zeilendetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;2b shows a schematic representation of a construction of a multispectral image sensor with line detector according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 2c eine schematische Seitenansicht eines Systems zur spektralen Untersuchung einer zweidimensionalen Fläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;FIG. 2c shows a schematic side view of a system for spectral examination of a two-dimensional surface according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 2d eine schematische Seitenansicht eines Systems zur spektralen Untersuchung einer zweidimensionalen Fläche gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer matrix-förmigen Anordnung von Sensorelementen eines Multispektralsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;Fig. 2d is a schematic side view of a system for spectral examination of a two-dimensional surface according to another embodiment of the present invention; 3 is a schematic representation of a matrix-shaped arrangement of sensor elements of a multispectral sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 4a eine schematische Darstellung eines spektral sensitiven Arrays aus 3x3 Pixeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;4a shows a schematic representation of a spectrally sensitive array of 3x3 pixels according to an embodiment of the present invention;
Fig. 4b eine schematische Darstellung eines Systems zur Bestimmung von dreidimensionalen Bildern mit einem zweidimensionalen Array aus Superpixeln, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;4b shows a schematic representation of a system for determining three-dimensional images with a two-dimensional array of superpixels, according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 4c eine schematische Darstellung einer Zeile aus Superpixeln eines 3D-Bildsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;4c is a schematic representation of a row of superpixels of a 3D image sensor, according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 5 eine schematische Darstellung von Beleuchtungsmög- lichkeiten eines Spektrometers gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;5 is a schematic representation of illumination possibilities of a spectrometer according to embodiments of the present invention;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements mit einer Filterstruktur mit einem Array aus photonischen Kristallen und einem Pixelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;6 is a perspective view of a sensor element having a filter structure with an array of photonic crystals and a pixel sensor according to an embodiment of the present invention;
Fig. 7 eine Draufsicht auf das Sensorelement gemäß Fig. 6;FIG. 7 shows a plan view of the sensor element according to FIG. 6; FIG.
Fig. 8 eine Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels aus Pixelsensor, Metallschichten und dielektrischen Schichten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;8 is a side view of a CMOS-fabricated layer stack of pixel sensor, metal layers, and dielectric layers according to one embodiment of the present invention;
Fig. 9a eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines Sensorelements mit wenigstens einem photonischen Kristall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 9b eine Seitenansicht von drei benachbart integrierten Sensorelementen gemäß Fig. 9a;9a is a side view of a section of a sensor element with at least one photonic crystal according to an embodiment of the present invention; FIG. 9b shows a side view of three adjacently integrated sensor elements according to FIG. 9a; FIG.
Fig. 10a eine Draufsicht auf eine Metallschicht mit Split- Ring-Resonatoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;10a is a plan view of a metal layer with split-ring resonators according to an embodiment of the present invention;
Fig. 10b eine Draufsicht auf eine Metallschicht mit Split- Ring-Resonatoren und darunter liegender Metallschicht mit Lochöffnung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;10b is a plan view of a metal layer with split-ring resonators and underlying metal layer with hole opening, according to an embodiment of the present invention;
Fig. IIa eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines Sensorelements mit wenigstens einem photonischen Kristall und zu- sätzlicher Metallschicht mit Öffnung zwischen photonischem Kristall und Pixelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;11a shows a side view of a section of a sensor element with at least one photonic crystal and additional metal layer with opening between photonic crystal and pixel sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. IIb eine Seitenansicht von drei benachbart integrier- ten Pixelelementen gemäß Fig. IIa;FIG. IIb shows a side view of three adjacently integrated pixel elements according to FIG. IIa; FIG.
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Feldkonzentration in einer Nähe einer mit einer Öffnung versehenden Metallschicht gemäß einem Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung;12 is a schematic representation of an electromagnetic field concentration in the vicinity of an opening provided with a metal layer according to an embodiment of the present invention.
Fig. 13 eine schematische Seitenansicht von dreidimensionalen Mikroelementen;Fig. 13 is a schematic side view of three-dimensional microelements;
Fig. 14 eine schematische perspektivische Darstellung eines Sensorelements mit Zonenplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;14 is a schematic perspective view of a zone plate structure sensor element according to an embodiment of the present invention;
Fig. 15a eine Seitenansicht eines in CMOS-Technik gefertig- ten integrierten Sensorelements mit Zonenplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 15b eine Seitenansicht eines in CMOS-gefertigten integrierten Sensorelements mit Zonenplattenstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ;FIG. 15 a is a side view of a CMOS integrated sensor element with zone plate structure according to an embodiment of the present invention; FIG. 15b is a side view of a CMOS-fabricated integrated sensor element with zone plate structure according to another embodiment of the present invention;
Fig. 16 eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer strukturierten Metallschicht mit Zonenplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;16 is a plan view and a side view of a structured metal layer having a zone plate structure according to an embodiment of the present invention;
Fig. 17 eine schematische Darstellung der fokussierenden Wirkungsweise der Zonenplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;17 is a schematic illustration of the focusing operation of the zone plate structure according to an embodiment of the present invention;
Fig. 18 eine Seitenansicht eines in CMOS-Technik integrier- ten Sensorelements mit zwei Zonenplattenstrukturen versehenen Metallschichten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;18 shows a side view of a sensor element integrated in CMOS technology with metal layers provided with two zone plate structures according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 19 eine Seitenansicht eines in CMOS-Technik integrier- ten Multispektralsensors mit einer Mehrzahl von integrierten Sensorelementen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;19 shows a side view of a multispectral sensor integrated in CMOS technology with a plurality of integrated sensor elements, according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 20a eine Draufsicht einer strukturierten Metallschicht mit mehreren Zonenplattenstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;20a is a top view of a patterned metal layer having a plurality of zone plate structures according to an embodiment of the present invention;
Fig. 20b eine Seitenansicht eines integrierten Sensorelements mit einer strukturierten Metallschicht gemäß Fig. 20a;FIG. 20b shows a side view of an integrated sensor element with a structured metal layer according to FIG. 20a; FIG.
Fig. 21 eine schematische perspektivische Darstellung eines integrierten Sensorelements mit Plasmon-Polariton-Resonanz-21 is a schematic perspective view of an integrated sensor element with plasmon-polariton resonance
Effekt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er- findung;Effect according to an embodiment of the present invention;
Fig. 22 eine Schnittansicht einer strukturierten Metallschicht mit Sub-Wellenlängen-Strukturen und einem Pixelsen- sor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;FIG. 22 is a sectional view of a patterned metal layer having sub-wavelength structures and a pixel-end. FIG. sor according to an embodiment of the present invention;
Fig. 23 eine detaillierte Schnittansicht eines Sensorele- ments mit strukturierter Metallschicht mit SubWellenlängen-Strukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;23 shows a detailed sectional view of a sensor element with structured metal layer with sub-wavelength structures according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 24 eine perspektivische Darstellung einer strukturier- ten Metallschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;FIG. 24 is a perspective view of a patterned metal layer according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 25 eine perspektivische Darstellung einer strukturierten Metallschicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung:25 shows a perspective view of a structured metal layer according to a further exemplary embodiment of the present invention:
Fig. 26 eine schematische Darstellung zu Erläuterung der Wirkungsweise der strukturierten Metallschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;FIG. 26 is a schematic diagram for explaining the operation of the structured metal layer according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 27 eine schematische Darstellung von transmittierter elektromagnetischer Strahlung für unterschiedliche Wellenlängen;FIG. 27 shows a schematic representation of transmitted electromagnetic radiation for different wavelengths; FIG.
Fig. 28 eine schematische Drauf- und Seitenansicht eines mehrere Sensorelemente umfassenden Sensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;28 is a schematic top and side view of a sensor comprising a plurality of sensor elements, according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 29 eine schematische Draufsicht einer strukturierten Metallschicht mit einer schlitzförmigen Öffnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,29 is a schematic plan view of a structured metal layer with a slot-shaped opening according to an embodiment of the present invention,
Fig. 30 eine schematische Ansicht einer Metallschicht mit einer zweidimensional periodischen Anordnung von Sub- Wellenlängen-Öffnungen;Fig. 30 is a schematic view of a metal layer having a two-dimensionally periodic array of sub-wavelength openings;
Fig. 31 eine schematische Drauf- und Seitenansicht eines verschiedene Sensorelemente umfassenden Multispektralsen- sors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;31 is a schematic plan view and side view of a multispectral sensor including various sensor elements. sors according to an embodiment of the present invention;
Fig. 32 eine detaillierte Schnittansicht eines Sensorele- ments mit zwei strukturierten Metallschichten und einer dazwischen liegenden dielektrischen Schicht mit SubWellenlängen-Strukturen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;32 shows a detailed sectional view of a sensor element with two structured metal layers and an interposed dielectric layer with sub-wavelength structures, according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 33 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß dem Stand der Technik;Fig. 33 is a schematic representation of a spectrometer according to the prior art;
Fig. 34 eine Darstellung eines Chip-size-Spektrometers gemäß dem Stand der Technik;Fig. 34 is an illustration of a chip size spectrometer according to the prior art;
Fig. 35 eine Darstellung von kreisförmigen Resonatoren zwischen Bragg-Reflektoren zur Erzielung variierender spektraler Transmissionen gemäß dem Stand der Technik;35 is an illustration of circular resonators between Bragg reflectors for achieving varying spectral transmissions according to the prior art;
Fig. 36 eine Darstellung eines Schichtaufbaus eines CMOS- Prozesses mit strukturierten Metallebenen gemäß dem Stand der Technik; und36 shows an illustration of a layer structure of a CMOS process with structured metal planes according to the prior art; and
Fig. 37 eine Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefer- tigten Schichtstapels aus Pixelsensor und Schichten aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.37 shows a side view of a layer stack of pixel sensor produced using CMOS technology and layers of metal or polycrystalline semiconductor material according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, im Nachfolgenden dargestellten, Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind. Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil eines integrierten MuI- tispektralsensors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.With regard to the following description, it should be noted that in the different exemplary embodiments, identical or equivalent functional elements have the same reference numerals, and thus the descriptions of these functional elements in the various exemplary embodiments shown below are interchangeable. 1 schematically shows a part of an integrated multiplex spectral sensor 10 according to an embodiment of the present invention.
Der integrierte Multispektralsensor 10 weist ein erstes Sensorelement 11-1 zur Selektion eines ersten vorbestimmten Wellenlängenbereichs bzw. einer ersten vorbestimmten Wellenlänge λi und ein zweites Sensorelement 11-2 zur Selektion eines zweiten vorbestimmten Wellenlängenbereichs bzw. einer Wellenlänge X2 auf. Das erste Sensorelement 11-1 weist einen ersten Pixelsensor 14-1 und eine erste Filterstruktur 12-1 mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht auf, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs λi eine höhere Trans- mission durch die erste Filterstruktur 12-1 zu dem ersten Pixelsensor 14-1 ergibt als für den ersten Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen. Das zweite Sensorelement 11-2 weist einen zweiten Pixelsensor 14-2 und eine zweite Filterstruktur 12-2 mit wenigstens einer strukturierten Me- tallschicht auf, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs λ eine höhere Transmission durch die zweite Filterstruktur 12-2 zu dem zweiten Pixelsensor 14-2 ergibt als für den zweiten Längenbereich umgebende Wellenlängen. Das erste Sensorelement 11- 1 und das zweite Sensorelement 11-2 sind gemeinsam in einem Halbleitersubstrat 16 integriert.The integrated multispectral sensor 10 includes a first sensor element 11-1 for selecting a first predetermined wavelength range and a first predetermined wavelength and a second sensor element .lambda..sub.i 11-2 for selecting a second predetermined wavelength range or a wavelength x2. The first sensor element 11-1 has a first pixel sensor 14-1 and a first filter structure 12-1 with at least one structured metal layer which, in response to electromagnetic radiation of the first wavelength range λi, has a higher transmission through the first filter structure 12-1 to the first The first pixel sensor 14-1 gives wavelengths surrounding the first wavelength range. The second sensor element 11-2 has a second pixel sensor 14-2 and a second filter structure 12-2 having at least one structured metal tallschicht, which in response to electromagnetic radiation of the second wavelength range λ Σ a higher transmission through the second filter structure to 12-2 The second pixel sensor 14-2 results in wavelengths surrounding the second wavelength range. The first sensor element 11-1 and the second sensor element 11-2 are integrated together in a semiconductor substrate 16.
Wie bereits erläutert wurde, können die erste und zweite Filterstruktur 12-1, 12-2 jeweils als photonischer Kristall ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die wenigstens eine Metallschicht der ersten und zweiten Filterstruktur 12-1, 12-2 jeweils eine Zonenplatten- struktur aufweisen. Gemäß noch weiteren Ausführungsbeispielen kann die wenigstens eine Metallschicht der ersten und zweiten Filterstruktur 12-1, 12-2 jeweils strukturiert sein, um einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt hervorzurufen. Auf die verschiedenen Aufbaumöglichkeiten der Sen- sorelemente 11-1, 11-2 wird weiter unten noch detailliert eingegangen.As already explained, the first and second filter structures 12-1, 12-2 can each be formed as a photonic crystal. According to further embodiments, the at least one metal layer of the first and second filter structures 12-1, 12-2 may each have a zone plate structure. According to still further embodiments, the at least one metal layer of the first and second filter structures 12-1, 12-2 may each be patterned to produce a plasmon-polariton resonance effect. On the various construction options of the Sen- Sorelemente 11-1, 11-2 will be discussed in more detail below.
Die Sensorelemente 11-1, 11-2, von denen lediglich exempla- risch in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind, können bei Ausführungsbeispielen eindimensional in Zeilenform oder zweidimensional in Matrixform angeordnet werden, um einen multispektralen Bildsensor zu erhalten.The sensor elements 11-1, 11-2, of which only two are shown by way of example only in FIG. 1, can be arranged in one-dimensional line form or two-dimensionally in matrix form in embodiments in order to obtain a multispectral image sensor.
Zunächst zeigt Fig. 2a schematisch eine Draufsicht eines zeilenförmigen Aufbaus eines Multispektralzeilendetektors 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.First, Fig. 2a schematically shows a plan view of a line-shaped structure of a multi-spectral line detector 20 according to an embodiment of the present invention.
Der Multispektralzeilendetektor20 umfasst eine Photodiodenzeile aus N auf dem Halbleitersubstrat 16 integrierten Photodioden (nicht gezeigt) , welche sich unterhalb der N dargestellten Filterstrukturen 12-1, 12-2, ...., 12-N befinden. Das heißt, oberhalb jeder Photodiode 14-n (n=l, 2, ... ,N) ist eine (arrayförmige) Filterstruktur 12-n (n=l, 2, ... ,N) angeordnet, die wiederum aus dreidimensional strukturierten metallischen und dielektrischen Schichten aufgebaut ist. Die Photodioden und die Filterstrukturen 12- 1, 12-2, ...., 12-N bilden zusammen jeweils Sensorelemente 11-n (n=l,2, ... ,N) . Die Filterstrukturen 12-n (n=l, 2, ... ,N) sind als optische Bandpassfilter dimensioniert, so dass durch jede der N Filterstrukturen 12-n (n=l, 2, ... ,N) eine vordefinierte spektrale Transmission erreicht wird, wie es in Fig. 2a (unten) angedeutet ist. Wie noch detailliert be- schrieben wird, hängt die spektrale Transmission lediglich von der geometrischen, dreidimensionalen Form der strukturierten Metall- und/oder Dielektrikumsschichten der Filterstrukturen 12-n (n=l,2, ... ,N) ab.The multi-spectral line detector 20 comprises a photodiode array of N photodiodes (not shown) integrated on the semiconductor substrate 16, which are located below the N-illustrated filter structures 12-1, 12-2, ..., 12-N. That is, above each photodiode 14-n (n = l, 2, ..., N), an (array-shaped) filter structure 12-n (n = l, 2, ..., N) is arranged, which in turn from three-dimensional structured metallic and dielectric layers is constructed. The photodiodes and the filter structures 12-1, 12-2,..., 12-N together form respectively sensor elements 11-n (n = 1, 2,..., N). The filter structures 12-n (n = 1, 2,..., N) are dimensioned as optical bandpass filters such that each of the N filter structures 12-n (n = 1, 2,..., N) has a predefined spectral Transmission is achieved, as indicated in Fig. 2a (bottom). As will be described in detail, the spectral transmission depends only on the geometric, three-dimensional shape of the structured metal and / or dielectric layers of the filter structures 12-n (n = 1, 2,..., N).
Fig. 2b zeigt schematisch eine Ausführungsform eines multispektralen Bildsensors zur Erfassung eines zweidimensionalen Bildfeldes mit einem Multispektralzeilendetektor 20. Der multispektrale Bildsensor nach Fig. 2b umfasst ein bewegliches, reflektierendes Bauteil 21, auf welches Lichtstrahlen 22 von einer geometrischen Linie einfallen, deren spektrale Verteilung zu bestimmen ist. Das reflektierende Bauteil 21 kann beispielsweise einen Spiegel oder ein Metall aufweisen. Das reflektierendes Bauteil 21 ist um eine Achse 23 drehbar gelagert. Der Multispektralzeilendetektor 20 aus mehreren Sensorelementen 11-1, 11-2, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei mit Bezugszeichen versehen sind, ist angeordnet, um das durch das bewegliche, reflektierende Bauteil 21 reflektierte Licht von der Linie zu empfangen. Dabei ist der Multispektralzeilendetektor 20 in einer die Drehachse 23 des reflektierenden Bauteils 21 durchlaufenden Ebene angeordnet. Die spektrale Auflösung des multispektralen Bildsensors kann entweder durch die Entfernung des Multispektralzeilendetektors 20 zu dem reflektierenden Bauteil 21, oder durch eine abbildende Optik zwischen dem reflektierenden Bauteil 21 und dem Zeilendetektor 20 eingestellt werden, die hier der Übersichtlich- keit halber nicht gezeigt ist. Handelt es sich bei dem reflektierenden Bauteil 21 beispielsweise um einen Hohlspiegel, so kann auf eine zusätzliche abbildende Optik, z. B. eine Linse, verzichtet werden. Bei einem einfachen Spiegel als reflektierendes Bauteil 21 ist zwischen Spiegel und Multispektralzeilendetektor 20 z. B. noch eine Linse notwendig, um das Licht 22 der geometrischen Linie auf den Multispektralzeilendetektor 20 abzubilden.FIG. 2b schematically shows an embodiment of a multispectral image sensor for detecting a two-dimensional image field with a multispectral line detector 20. The multispectral image sensor according to FIG. 2b comprises a movable, reflective component 21 on which light rays 22 from a geometric line whose spectral distribution is to be determined are incident. The reflective component 21 may comprise, for example, a mirror or a metal. The reflective component 21 is rotatably mounted about an axis 23. The multi-spectral line detector 20 of a plurality of sensor elements 11-1, 11-2, of which only two are provided with reference numerals for the sake of clarity, is arranged to receive the light reflected by the movable reflecting component 21 from the line. In this case, the multispectral line detector 20 is arranged in a plane passing through the axis of rotation 23 of the reflective component 21. The spectral resolution of the multispectral image sensor can be adjusted either by the removal of the multispectral line detector 20 to the reflective component 21, or by an imaging optical system between the reflective component 21 and the line detector 20, which is not shown here for the sake of clarity. If the reflective component 21 is, for example, a concave mirror, an additional imaging optical system, for example, can be used. As a lens can be dispensed with. In a simple mirror as a reflective component 21 is between mirror and multispectral line detector 20 z. B. still a lens necessary to image the light 22 of the geometric line on the multi-spectral line detector 20.
Zur Bewegung des beweglichen, reflektierenden Bauteils 21 ist eine geeignete Ansteuerung 24 vorgesehen, die zur Ansteuerung mit dem beweglichen, reflektierenden Bauteil 21 z. B. über eine induktive, kapazitive oder mechanische Kopplung gekoppelt ist. Mit der Ansteuerung 24 auf der einen und dem Multispektralzeilendetektor 20 auf der anderen Seite ist eine Steuereinheit 25 gekoppelt, die die Belichtungszeitpunkte, zu denen der Multispektralzeilendetektor 20 Aufnahmen durchführt, relativ zu der Bewegung des reflektierenden Bauteils 21, steuert. Hierzu erfasst die An- Steuerung 24 (über einen bekannten Zusammenhang zwischen Ansteuerung und Auslenkung oder mittels einer eigens vorgesehenen Erfassungseinrichtung) die augenblickliche Stellung des reflektierenden Bauteils 21 und gibt an die Steuerein- heit 25 ein Signal aus, das die augenblickliche Stellung anzeigt. Die Steuereinheit 25 bestimmt ihrerseits die Belichtungszeitpunkte, zu denen der Multispektralzeilendetek- tor 20 Aufnahmen vornehmen soll, und sendet hierzu Auslösesignale an den Multispektralzeilendetektor 20.For the movement of the movable, reflective component 21, a suitable control 24 is provided, which for driving with the movable, reflective component 21 z. B. is coupled via an inductive, capacitive or mechanical coupling. To the driver 24 on the one hand and the multi-spectral line detector 20 on the other side is coupled a control unit 25 which controls the exposure timings at which the multi-spectral line detector 20 takes photographs relative to the movement of the reflective component 21. For this purpose, the Control 24 (via a known relationship between control and deflection or by means of a specially provided detection device) the instantaneous position of the reflective component 21 and outputs to the control unit 25, a signal indicating the current position. The control unit 25 in turn determines the exposure times at which the multi-spectral line detector 20 is to take recordings, and for this purpose sends triggering signals to the multispectral-line detector 20.
Jedes Sensorelement 11-n (n=l,...,N) erfasst zu einem gegebenen Zeitpunkt einen unterschiedlichen spektralen Bestandteil eines Lichtstrahls von einer Linie einer Fläche, der aufgrund der Auslenkung des reflektierenden Bauteils 21 auf die auf den Multispektralzeilendetektor 20 gespiegelt wird. Trifft Licht ausgehend von einer Linie, die im wesentlichen parallel zum Multispektralzeilendetektor 20 verläuft, in einem geeigneten Einfallswinkel α auf das reflektierende Bauteil 21, so wird dieses durch das reflektierende Bauteil 21 nach dem bekannten physikalischen Gesetz Einfallswinkel = Ausfallswinkel reflektiert. Dadurch, dass sich der Multispektralzeilendetektor 20 im zum Einfallswinkel betragsmäßig gleichen Ausfallswinkel α relativ zum reflektierenden Bauteil 21 befindet, kann der Multispektralzeilendetektor 20 das reflektierte und durch ein optisches System (Hohlspiegel, Linse) auf ihn abgebildete Licht spektral abtasten.Each sensor element 11-n (n = 1,..., N) detects at a given time a different spectral component of a light beam from a line of a surface which is mirrored onto the multi-spectral line detector 20 due to the deflection of the reflective component 21. If light, starting from a line which runs essentially parallel to the multispectral line detector 20, impinges on the reflecting component 21 at a suitable angle of incidence α, this is reflected by the reflecting component 21 according to the known physical law angle of incidence = angle of reflection. Because the multispectral line detector 20 is located at the angle of incidence α which is the same in terms of the angle of incidence relative to the reflective component 21, the multispectral line detector 20 can spectrally scan the light reflected and imaged on it by an optical system (concave mirror, lens).
Bezug nehmend auf Fig. 2a wird zur Bestimmung der spektra- len Verteilung des Lichts ausgehend von einer geometrischen Linie erfindungsgemäß zunächst eine erste Aufnahme durch den Multispektralzeilendetektor 20 aufgenommen. Jedes Sensorelement 11-n (n=l,...,N) erfasst für diese Aufnahme einen unterschiedlichen spektralen Bestandteil des reflek- tierten Lichts. Der Multispektralzeilendetektor 20 gibt das Ergebnis der ersten Aufnahme aus, wobei das Ergebnis schematisch bei 26 als ein Graph gezeigt ist, bei dem die Intensität I(λ,x) über der Wellenlänge λ aufgetragen ist und in welchem ein exemplarischer Intensitätsverlauf angenommen ist. Nach der ersten Aufnahme bewegt die Ansteuerung 24 das reflektierende Bauteil 21 in eine andere Stellung. Der MuI- tispektralzeilendetektor 20 nimmt eine zweite Aufnahme vor, die einer zweiten geometrischen Linie entspricht. Das Ergebnis der zweiten Aufnahme bzw. Belichtung ist in einem Graphen 27 schematisch gezeigt, wobei wiederum die Intensität I(λ,x) über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Die beiden Aufnahmen 26 und 27 werden an eine Kombinationseinrich- tung 28 weitergeleitet, die sowohl mit dem Multispektral- zeilendetektor 20, um von demselben die Intensitätswerte jedes Detektorelements zu jeder Belichtung zu erhalten, als auch über die Steuereinheit 25 mit der Ansteuerung 24, um von einem der beiden Informationen hinsichtlich der Stel- lung des reflektierenden Bauteils 21 zu den Belichtungszeitpunkten zu erhalten, verbunden ist, und die basierend auf den Aufnahmen 26 und 27 ein Ergebnis liefert, das der Bestimmung der spektralen Verteilung der Lichtstrahlen ausgehend von den zwei geometrischen Linien entspricht. Auf die beschriebene Art und Weise können durch Auslenken des reflektierenden Bauteils 21 Lichtstrahlen beliebig vieler geometrischen Linien spektral zerlegt werden. Die Größe eines Winkelinkrements zwischen zwei diskreten Auslenkwinkeln hängt dabei von der gewünschten geometrischen Auflösung ab.With reference to FIG. 2 a, according to the invention, to determine the spectral distribution of the light, starting from a geometric line, a first image is first taken by the multispectral-line detector 20. Each sensor element 11-n (n = 1,..., N) acquires a different spectral component of the reflected light for this recording. The multi-spectral line detector 20 outputs the result of the first recording, the result being shown schematically at 26 as a graph in which the intensity I (λ, x) is plotted against the wavelength λ and in which an exemplary intensity profile is assumed. After the first shot, the driver 24 moves the reflective member 21 to another position. The multiplex spectral line detector 20 takes a second picture which corresponds to a second geometric line. The result of the second recording or exposure is shown schematically in a graph 27, wherein in turn the intensity I (λ, x) is plotted against the wavelength λ. The two recordings 26 and 27 are forwarded to a combination device 28 which switches both with the multispectral line detector 20 in order to obtain therefrom the intensity values of each detector element at each exposure and via the control unit 25 with the drive 24 from to obtain one of the two pieces of information regarding the position of the reflective component 21 at the exposure times, and which based on the images 26 and 27 provides a result corresponding to the determination of the spectral distribution of the light beams from the two geometric lines , In the manner described, light beams of any number of geometric lines can be spectrally decomposed by deflecting the reflective component 21. The size of an angle increment between two discrete deflection angles depends on the desired geometric resolution.
Bezug nehmend auf die Fig. 2c und d werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Systemen zur Untersuchung einer geometrischen Fläche anhand eines möglichen Anwendungsbeispiels beschrieben. Die Anordnung sind schematisch in Seitenansicht dargestellt.With reference to FIGS. 2 c and d, embodiments of systems according to the invention for examining a geometrical surface will be described below with reference to a possible application example. The arrangement are shown schematically in side view.
An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass es sich bei den beschriebenen zu untersuchenden geometrischen Linien und Flächen in der Regel um Projektionslinien und -flächen han- delt. D.h. es werden nicht die Linien und Flächen an sich untersucht, sondern Objekte, die zumindest teilweise auf diese Linien und/oder Flächen abgebildet werden. Die Fig. 2c zeigt voneinander verschiedene zu inspizierende Objekte 16 und 17, die sich auf einer Fläche 18 befinden. Ein linearer Bereich 19 wird von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) bestrahlt. Von verschiedenen Punkten des linearen Bereichs 19 reflektierte Lichtstrahlen 22 treffen auf ein drehbar gelagertes reflektierendes Element 21, an dem sie zu einer abbildenden Optik 29 hin reflektiert werden. Zur Detektion der spektralen Eigenschaften des reflektierten Lichts ist in der Bildebene der abbildenden Optik 29 der Multispektralzeilendetektor 20 angebracht. Sowohl die Belichtungszeitpunkte des Multispektralzeilendetektors 20 als auch die Bewegung des reflektierenden Elements 21 werden durch eine mit dem Multispektralzeilendetektor 20 und dem reflektierenden Element 21 verbundene Steuerein- richtung (nicht gezeigt) gesteuert. Durch Auslenkung des reflektierenden Elements 21 um seine Drehachse 23 können mehrere Linien 19 spektral erfasst werden, um die spektralen Eigenschaften der Fläche 18 bzw. der Objekte 16, 17 zu bestimmen. D.h. das drehbar aufgehängte reflektierenden E- lement 21 entspricht einer Einrichtung zum Bewirken, dass eine auf den Multispektralzeilendetektor 20 abgebildete Linie das zweidimensionale Bildfeld 18 durchläuft.It should be mentioned at this point that the described geometric lines and surfaces to be examined are generally projection lines and surfaces. That is, it does not examine the lines and surfaces themselves, but objects that are at least partially imaged on these lines and / or surfaces. FIG. 2c shows different objects 16 and 17 to be inspected which are located on a surface 18. A linear region 19 is irradiated by a light source (not shown). Light rays 22 reflected by different points of the linear region 19 impinge on a rotatably mounted reflective element 21, where they are reflected towards an imaging optic 29. In order to detect the spectral properties of the reflected light, the multi-spectral line detector 20 is mounted in the image plane of the imaging optical system 29. Both the exposure timings of the multi-spectral line detector 20 and the movement of the reflective element 21 are controlled by a control device (not shown) connected to the multi-spectral line detector 20 and the reflecting element 21. By deflecting the reflecting element 21 about its axis of rotation 23, a plurality of lines 19 can be detected spectrally in order to determine the spectral properties of the surface 18 or of the objects 16, 17. That is, the rotatably suspended reflective element 21 corresponds to means for causing a line imaged on the multispectrum line detector 20 to pass through the two-dimensional image field 18.
Die Fig. 2d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem die Einrichtung zum Bewirken, dass eine auf den Zeilensensor 20 abgebildete Linie das zweidimensionale Bildfeld durchläuft, ein Förderband 15 ist.FIG. 2 d shows another embodiment in which the means for causing a line imaged on the line sensor 20 to pass through the two-dimensional image field is a conveyor belt 15.
Die Fig. 2d zeigt voneinander verschiedene zu inspizieren- de Objekte 16 und 17, die sich auf einer Beförderungseinrichtung 15 mit einer Geschwindigkeit v bewegen. Ein linearer Bereich 19 wird von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) bestrahlt. Von verschiedenen Punkten des linearen Bereichs 19 reflektierte Lichtstrahlen 22 treffen auf eine abbilden- de Optik 29, z.B. eine Linse. Zur Detektion der spektralen Eigenschaften des von der Linie 19 ausgehenden Lichts ist in der Bildebene der abbildenden Optik 29 ein Multispektralzeilendetektor 20 angebracht. Die Belichtungszeitpunkte des Multispektralzeilendetektors 20 werden durch eine mit dem Multispektralzeilendetektor 20 verbundene Steuereinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert.FIG. 2d shows different objects 16 and 17 to be inspected, which move on a conveyor 15 at a speed v. A linear region 19 is irradiated by a light source (not shown). Light rays 22 reflected by different points of the linear region 19 strike an imaging optical unit 29, eg a lens. To detect the spectral properties of the light emanating from the line 19, a multi-spectral line detector 20 is mounted in the image plane of the imaging optical system 29. The exposure times of the multi-spectral line detector 20 are controlled by a controller (not shown) connected to the multi-spectral line detector 20.
Im Hinblick auf weitere Anwendungsmöglichkeiten ist es auch denkbar, dass der Multispektralzeilendetektor 20 selbst relativ zu einer zu analysierenden Fläche bewegt wird. Denkbar sind beispielsweise Anwendungen in Satelliten oder anderen Flugkörpern zur Erdbeobachtung, bei denen beispiels- weise eine Landschaft auf optische Eigenarten, wie z.B. charakteristische Pflanzeneigenschaften (z.B. die Farbe der Blüten), hin untersucht werden soll. Auch hier wird durch den Scanvorgang eines eindimensionalen Bereichs und die senkrecht dazu erfolgende Relativbewegung mit langsamer Re- lativgeschwindigkeit letztendlich die spektrale Analyse einer zweidimensionalen Oberfläche erreicht.With regard to further possible applications, it is also conceivable that the multispectral-line detector 20 itself is moved relative to a surface to be analyzed. For example, applications in satellites or other earth observation missiles are conceivable in which, for example, a landscape is limited to optical features, such as e.g. characteristic plant properties (for example the color of the flowers). Here, too, the spectral analysis of a two-dimensional surface is finally achieved by scanning a one-dimensional region and the relative movement taking place perpendicular thereto with a slow relative velocity.
Anwendungsbeispiele der Form mit festem Multispektralzeilendetektor 20 und bewegten Gütern sind in der Recyclingin- dustrie bei der Selektion von Kunststoff- oder Papierabfällen, in der Landwirtschaft bei der Selektion von Erntegut (z.B. Kartoffeln/Steine) oder in der Lebensmittel- bzw. Pharmabranche zahlreich zu finden. Weiterhin ist eine Überwachung von Fließgewässern denkbar, indem der Multispekt- ralzeilendetektor 20 beispielsweise an einer Brücke oberhalb des Gewässers angebracht wird. Somit kann ein unter der Brücke fließender Fluss überwacht werden auf Schiffe, ölteppiche, etc..Application examples of the form with fixed multispectral line detector 20 and moving goods are numerous in the recycling industry in the selection of plastic or paper waste, in agriculture in the selection of crops (eg potatoes / stones) or in the food and pharmaceutical industries , Furthermore, a monitoring of flowing waters is conceivable in that the multi-spectral line detector 20 is attached, for example, to a bridge above the water body. Thus, a river flowing under the bridge can be monitored for ships, oil spills, etc.
Die Inspektion kann dabei mit oder ohne zusätzliche Lichtquelle erfolgen. Entsprechend können die spektroskopischen Verfahren der Emissions-, Reflexions-, Absorptionsmessung , Fluoreszenz-Spektroskopie oder auch sogenannte Raman- Spektroskopie und/oder artverwandte Verfahren eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass von den an dem Multispektralzeilendetektor 20 auftreffenden optischen Signalen bestimmte Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche bewertet werden. Generell ist es möglich, die Abbildungsqualität eines abzubildenden linearen Bereichs auf den Multispektralzeilende- tektor 20 zu erhöhen, indem man z.B. zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Äbtastzeitpunkten des Multispektral- zeilendetektor 20 das Eintreten von Lichtstrahlen in den Multispektralzeilendetektor 20 verhindert. Dies kann beispielsweise mit der Verwendung eines optischen Shutters geschehen.The inspection can be done with or without additional light source. Accordingly, the spectroscopic methods of emission, reflection, absorption measurement, fluorescence spectroscopy or so-called Raman spectroscopy and / or related methods can be used. It is essential that certain wavelengths or wavelength ranges are evaluated by the optical signals impinging on the multispectral line detector 20. In general, it is possible to increase the imaging quality of a linear region to be imaged onto the multispectral-line detector 20, for example by preventing the entry of light beams into the multispectral-line detector 20 between every two successive scanning times of the multispectral-line detector 20. This can be done, for example, with the use of an optical shutter.
An dieser Stelle soll noch hervorgehoben werden, dass ein multispektraler Bildsensor zur Erfassung eines zweidimensionalen Bildfeldes z.B. auch einfach mit einem zu zwei orthogonalen Achsen drehbar aufgehängtem Superpixel zum spektralen Erfassen eines Punkts eines zweidimensionalen Bildfelds realisiert werden könnte. Dabei weist das zu den zwei zueinander orthogonalen Achsen drehbar aufgehängte, integrierte Superpixel wenigstens fünf Sensorelemente 11 auf mit jeweils einem Pixelsensor 14 und einer Filterstruktur 12 mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die Filterstruktur zu dem Pixelsensor 14 ergibt, als für den Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen. Jedem Sensorelement 11 des Superpixels ist dabei ein anderer Wellenlängen- bereich zugeordnet und die Sensorelemente 11 sind gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat 16 integriert. Mit einem Stellmotor könnte das Superpixel jeweils um seine orthogonalen Drehachsen geschwenkt werden. Ferner umfasst ein derartiger multispektraler Bildsensor eine Einrichtung zum Ab- bilden des Punkts aus dem zweidimensionalen Bildfeld auf das Superpixel, beispielsweise in Form einer Optik (z.B. Linse) . In dem Stellmotor kann eine Einrichtung zum Bewirken, dass ein auf das Superpixel abgebildeter Punkt das zweidimensionale Bildfeld durchläuft, gesehen werden. Ge- nauso könnte das Superpixel auch starr durch eine Art Scanvorgang (z.B. zeilenweise) über das zweidimensionale Bildfeld bewegt werden, um spektrale Information des Bildfelds abzutasten. Nachdem anhand der Fig. 2a-d Anwendungsmöglichkeiten eines eindimensionalen Multispektralzeilendetektors beschrieben wurden, wird im Nachfolgenden näher auf zweidimensional an- geordnete Multispektralsensoren eingegangen. Dazu ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines multispektralen Bildsensors 30 in Fig. 3 schematisch dargestellt.At this point, it should be emphasized that a multispectral image sensor for detecting a two-dimensional image field could also be realized, for example, simply with a superpixel rotatably suspended to two orthogonal axes for spectrally detecting a point of a two-dimensional image field. In this case, the integrated superpixel rotatably suspended from the two mutually orthogonal axes has at least five sensor elements 11 each having a pixel sensor 14 and a filter structure 12 with at least one structured metal layer which, in response to electromagnetic radiation of a wavelength range, has a higher transmission through the filter structure to the pixel sensor 14 as wavelengths surrounding the wavelength range. Each sensor element 11 of the superpixel is assigned a different wavelength range and the sensor elements 11 are integrated together on a semiconductor substrate 16. With a servomotor, the superpixel could be pivoted about its orthogonal axes of rotation. Furthermore, such a multispectral image sensor comprises a device for imaging the point from the two-dimensional image field onto the superpixel, for example in the form of an optical system (for example a lens). In the servo motor, means for causing a dot imaged on the superpixel to pass through the two-dimensional image field can be seen. In the same way, the superpixel could also be moved rigidly through a kind of scanning process (eg, line by line) over the two-dimensional image field in order to scan spectral information of the image field. Having described possible applications of a one-dimensional multispectral-line detector with reference to FIGS. 2a-d, two-dimensionally arranged multispectral sensors will be discussed in more detail below. For this purpose, a further exemplary embodiment of a multispectral image sensor 30 in FIG. 3 is shown schematically.
Mit einer Matrixanordnung von Sensorelementen können ver- schiedene Spektralbereiche mit unterschiedlicher spektraler Auflösung abgetastet werden. Im Beispiel von Fig. 3 ist die Zeile mit den Sensorelementen von A(I) bis A(n) für einen Spektralbereich A gedacht, die Zeile mit den Sensorelementen C(I) bis C(n) ist für Spektralbereich C gedacht. Eine spektrale Auflösung im Bereich der Sensorelemente A(I) bis A(n) ist beispielsweise höher als die spektrale Auflösung im Bereich der Sensorelemente C(I) bis C(n). In den Bereichen D und E sind keine Sensorelemente angeordnet. Dort wird keine Messung gemacht, weil beispielsweise in diesem Bereich kein Licht auf den multispektralen Bildsensor 30 trifft. Der multispektrale Bildsensor 30 bietet also die Möglichkeit, bereits beim Design zu definieren, welche Bereiche mit welcher Auflösung gemessen werden sollen. Es kann für industrielle Anwendungen von Bedeutung sein, bei denen einzelnen spektrale Linien oder Bereiche kontrolliert werden müssen. Die Größe von Mikroelementen der Filterstrukturen bzw. der sich darunter befindlichen Photodioden spielt dabei eine ähnliche Rolle wie der Eingangsspalt bei einem herkömmlichen Spektrometer .With a matrix arrangement of sensor elements, different spectral ranges with different spectral resolution can be scanned. In the example of FIG. 3, the line with the sensor elements from A (I) to A (n) is intended for a spectral range A, the row with the sensor elements C (I) to C (n) is intended for spectral range C. A spectral resolution in the region of the sensor elements A (I) to A (n) is for example higher than the spectral resolution in the region of the sensor elements C (I) to C (n). In areas D and E no sensor elements are arranged. There, no measurement is made because, for example, no light hits the multispectral image sensor 30 in this area. The multispectral image sensor 30 thus offers the possibility of already defining in the design which areas should be measured with which resolution. It may be important for industrial applications where individual spectral lines or areas need to be controlled. The size of microelements of the filter structures or the photodiodes located underneath plays a similar role as the input gap in a conventional spectrometer.
Eine weitere Alternative zur Anordnung der Sensorelemente ergibt sich dadurch, dass ein zweidimensionales Pixelarray aufgebaut wird, wobei jedes Pixel bzw. Superpixel für sich aus einer Matrix von wellenlängenselektiven Sensorelementen besteht, so wie es beispielhaft in Fig. 4a gezeigt ist.A further alternative to the arrangement of the sensor elements results from the fact that a two-dimensional pixel array is constructed, wherein each pixel or superpixel itself consists of a matrix of wavelength-selective sensor elements, as shown by way of example in FIG. 4a.
Dadurch kann ein beispielsweise Kamerachip realisiert werden, dessen einzelne Pixel bzw. Superpixel vielfältige spektrale Informationen enthalten können. Dementsprechend können mit der in Fig. 4 gezeigten Anordnung vielfältige Multispektralbilder geliefert werden, die um ein Vielfaches mehr an Informationen enthalten als ein Standard-Kamerachip mit RGB-Sensoren bzw. Bayer-Maske. Die in Fig. 4a schematisch gezeigte Anordnung 40 kann beispielsweise als bildgebender Fingerprint-Sensor angewendet werden, der zu jedem Superpixel 42-1 bis 42-9 die zugehörige Spektralinformation liefert. Damit kann z.B. ein grüner Ball (aus PVC) in einer grünen Wiese leicht erkannt werden, weil sich das Spektrum von PVC deutlich von dem von Chlorophyll unterscheidet, und selbst im grünen Spektralbereich unterschiedliche Linien aufweist. Dies ist mit einem herkömmlichen Farbsensor so nicht möglich, weil dort die verwendeten spektralen Filter eine viel zu breite Bandpasscharakteristik aufweisen. Bei herkömmlichen Farbsensoren kann nur mit Bildverarbeitungsalgorithmen versucht werden, die oben genannte Erkennung zu bewerkstelligen, dies ist aber wesentlich aufwendiger als gleich im Sensor die relevanten Informationen aufzunehmen.As a result, for example, a camera chip can be realized whose individual pixels or superpixels are manifold may contain spectral information. Accordingly, with the arrangement shown in FIG. 4, a variety of multi-spectral images can be provided which contain many times more information than a standard camera chip with RGB sensors or Bayer mask. The arrangement 40 shown schematically in FIG. 4a can be used, for example, as an imaging fingerprint sensor which supplies the associated spectral information for each superpixel 42-1 to 42-9. Thus, for example, a green ball (made of PVC) in a green field can be easily recognized, because the spectrum of PVC differs significantly from that of chlorophyll, and even in the green spectral range has different lines. This is not possible with a conventional color sensor, because there the spectral filters used have a much too broad bandpass characteristic. In conventional color sensors can be tried only with image processing algorithms to accomplish the above-mentioned detection, but this is much more complicated than the same information in the sensor to take the relevant information.
Mit einem multispektralen Bildsensor 40 mit einem zweidimensionalen Array aus Superpixeln 42 gemäß Fig. 4a kann, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, auch ein dreidimensionaler Bildsensor bzw. ein Entfernungs- messsystem realisiert werden. Dazu zeigt Fig. 4b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Entfernungsmesssystems 43 zur Bestimmung von dreidimensionalen Bildern mit einem multispektralen Bildsensor 40 mit einem zweidimensionalen Array aus Superpixeln 42 gemäß Fig. 4a.With a multispectral image sensor 40 with a two-dimensional array of superpixels 42 according to FIG. 4 a, according to exemplary embodiments of the present invention, a three-dimensional image sensor or a distance measuring system can also be realized. 4b shows a schematic illustration of a distance measuring system 43 according to the invention for determining three-dimensional images with a multispectral image sensor 40 having a two-dimensional array of superpixels 42 according to FIG. 4a.
Das Entfernungsmesssystem 43 kann, zusätzlich zu zweidimensionalen Bildinformationen, eine Entfernung zwischen dem Entfernungsmesssystem 43 und einem Objekt 44 bestimmen und somit eine dritte Bildinformation (Bildtiefe) bereitstel- len. Dazu umfasst das Entfernungsmesssystem 43 eine Quelle bzw. Sendeeinrichtung 45 zum Aussenden eines Sendesignals S in Form von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, während eines Sendezeitintervalls Ts. Die Sendeein- richtung 45 umfasst dabei gemäß Ausführungsbeispielen eine Lichtquelle, z.B. in Form einer LED (LED = Light Emitting Diode), einer IR-LED (IR-LED = Infra-Red LED) oder einer Laserdiode. Die Sendeeinrichtung 45 generiert das Sendesig- nal S beispielsweise in Form eines frequenzmodulierten Lichtsignals oder in Form von kurzen Lichtpulsen. Zur Steuerung der Modulation des Sendesignals S kann die Entfernungsmessvorrichtung 43 eine Modulationseinrichtung 46 umfassen, welche zwecks Steuerung der Modulation auf die Sen- deeinrichtung 45: einwirken kann. Bei der auf das Sendesignal S einwirkenden Modulation kann es sich beispielsweise um eine Amplitudenmodulation des Lichtsignals S handeln. Dabei kann eine Modulationsfrequenz beispielsweise in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 GHz liegen, je nach Mess- genauigkeitsanforderungen und Messmethode des Entfernungsmesssystems 43. Die Einwirkung erfolgt in der Weise, dass die Modulationseinrichtung 46 ein Modulationssignal M an die Sendeeinrichtung 45 ausgibt, wobei das Modulationssignal M beispielsweise rechteckförmig, sinusförmig oder drei- ecksförmig ausgebildet sein kann. Weiterhin umfasst das Entfernungsmesssystem 43 eine Empfangseinrichtung in Form eines erfindungsgemäßen multispektralen Bildsensors 40 zum Empfangen eines Bildsignals bzw. Empfangssignals E, bei dem es sich um einen an dem Bildobjekt 44 reflektierten Anteil des Sendesignals S handelt. Der Empfang des Empfangssignals E findet während eines Empfangszeitintervalls TE statt, welches mit dem Sendezeitintervall T3 synchronisiert sein kann, derart, dass Empfangs- und Sendezeitintervall Ts entweder zeitlich parallel liegen oder, dass Empfangs- und Sendezeitintervall zeitlich aufeinander folgen. Die Synchronisation von Empfangs- und Sendezeitintervall kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung bewerkstelligt werden (nicht gezeigt) . Ferner umfasst das Entfernungsmesssystem 43 eine Verarbeitungseinrichtung 47 zum Bestimmen eines 3D-Bildes des Objekts 44 basierend auf einem Ausgangssignal des multispektralen Bildsensors 40. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung 47 ausgebildet, um das 3D-BiId so zu bestimmen, dass das 3D-BiId für eines oder mehrere der Su- perpixel eine Entfernungsinformation aufweist, die von einem Ausgangssignal wenigstens eines der Sensorelemente 11 der Superpixel 42 abhängt, sowie eine spektrale Verteilung, die von dem Ausgangssignal von wenigstens mehreren der an- deren Sensorelemente 11 der Superpixel 42 abhängt. Verarbeitungseinrichtung 47 kann also u.a. eine Entfernung zwischen dem Bildobjekt 44 und dem Entfernungsmesssystem 43 bzw. zwischen dem Bildobjekt 44 und dem multispektralen Bildsensor 40 bestimmen. Die Verarbeitungseinrichtung 47 kann dabei beispielsweise ein PMD (PMD = Photonic Mixer Device) umfassen. PMDs berechnen eine gesuchte Entfernung, in dem sie u.a. einen Vergleich der Phasenlagen des Sendesignals S mit einer Phasenlage des Empfangssignals E durchführen. Theorie und Funktionsprinzip von PMDs sind beispiels- weise in „Solid-State Time-of-Flight Range Camera" von Robert Lange und Peter Seitz, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 37, No. 3, March 2001 beschrieben.The distance measuring system 43 can, in addition to two-dimensional image information, determine a distance between the distance measuring system 43 and an object 44 and thus provide third image information (image depth). For this purpose, the distance measuring system 43 comprises a source or transmitting device 45 for emitting a transmission signal S in the form of electromagnetic radiation, in particular light, during a transmission time interval T s . The broadcasting Direction 45 includes according to embodiments, a light source, for example in the form of an LED (LED = Light Emitting Diode), an IR LED (IR LED = Infra-Red LED) or a laser diode. The transmission device 45 generates the transmission signal S, for example in the form of a frequency-modulated light signal or in the form of short light pulses. For controlling the modulation of the transmission signal S, the distance measuring device may include a modulation device 46 43, which for the purpose of controlling the modulation signaling device to the transmitter 45: can act. The modulation acting on the transmission signal S may, for example, be an amplitude modulation of the light signal S. In this case, a modulation frequency can be, for example, in a frequency range from 1 MHz to 10 GHz, depending on the measurement accuracy requirements and measurement method of the distance measuring system 43. The action takes place in such a way that the modulation device 46 outputs a modulation signal M to the transmitting device 45, wherein the modulation signal M, for example, rectangular, sinusoidal or triangular may be formed. Furthermore, the distance measuring system 43 comprises a receiving device in the form of a multispectral image sensor 40 according to the invention for receiving an image signal or received signal E, which is a component of the transmission signal S reflected on the image object 44. The reception of the received signal E takes place during a reception time interval T E , which can be synchronized with the transmission time interval T 3 , such that the reception and transmission time intervals Ts are either parallel in time or that the reception and transmission time intervals follow each other in time. The synchronization of the reception and transmission time intervals can be accomplished, for example, by a control device (not shown). Furthermore, the distance measuring system 43 comprises a processing device 47 for determining a 3D image of the object 44 based on an output signal of the multispectral image sensor 40. The processing device 47 is designed to determine the 3D image so that the 3D image for one or more images several of the perpixel has distance information which depends on an output signal of at least one of the sensor elements 11 of the superpixels 42 and a spectral distribution which depends on the output signal of at least a plurality of the other sensor elements 11 of the superpixels 42. Processing device 47 can thus determine, inter alia, a distance between image object 44 and distance measuring system 43 or between image object 44 and multispectral image sensor 40. The processing device 47 may include, for example, a PMD (PMD = Photonic Mixer Device). PMDs calculate a searched distance in which they perform inter alia a comparison of the phase positions of the transmission signal S with a phase angle of the reception signal E. The theory and operating principle of PMDs are described, for example, in "Solid State Time-of-Flight Range Camera" by Robert Lange and Peter Seitz, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 37, No. 3, March 2001.
Vorzugsweise ist das Sendesignal S ein moduliertes Licht- signal im Infrarotbereich. Dementsprechend weist der multispektrale Bildsensor 40 Superpixel mit jeweils wenigstens fünf Sensorelementen auf, wobei wenigstens ein Pixel bzw. Sensorelement 11, im Folgenden als Demodulator- Sensorelement bezeichnet, eines Superpixels 42 auf die WeI- lenlänge bzw. den Wellenlängenbereich des Sendesignals S anspricht. Das heißt, die dem Demodulator-Sensorelement zugeordnete Filterstruktur ist ausgelegt, um die Wellenlänge bzw. die Wellenlänge des Sendesignals S durchzulassen und umliegende Wellenlängen herauszufiltern. Bei Ausführungs- beispielen der vorliegenden Erfindung ist also bei einem multispektralen Bildsensor 40 mindestens ein Farbkanal, d.h. ein Pixel 11 eines Superpixels 42, für Abstandsmessungen reserviert, vorzugsweise in einem spektralen Bereich, in dem eine Spektralmessung nicht notwendig ist (z.B. in einem Bereich von 850 nm bis 980 nm) . Innerhalb eines Superpixels 42 kann derart ein Abstandsmesskanal realisiert werden, der eine dritte Dimension, d.h. Entfernung, zum aufgenommenen 2D-BiId liefert. Für die Abstandsmessung kön- nen mehrere alternative Methoden eingesetzt werden, wie beispielsweise durch die in der Offenlegungsschrift DE 10 04 050 627 Al beschriebene Methode, durch Triangulation, Interferrometrie oder Laufzeitmessung.Preferably, the transmission signal S is a modulated light signal in the infrared range. Accordingly, the multispectral image sensor 40 has superpixels each having at least five sensor elements, wherein at least one pixel or sensor element 11, referred to hereinafter as a demodulator sensor element, of a superpixel 42 responds to the wavelength or the wavelength range of the transmission signal S. That is, the filter structure associated with the demodulator sensor element is configured to pass the wavelength of the transmission signal S and to filter out surrounding wavelengths. In embodiments of the present invention, therefore, in a multispectral image sensor 40, at least one color channel, ie, a pixel 11 of a superpixel 42, is reserved for distance measurements, preferably in a spectral range in which a spectral measurement is not necessary (eg in a range of 850 nm to 980 nm). Within a superpixel 42 such a distance measuring channel can be realized, which provides a third dimension, ie distance, to the recorded 2D image. For the distance measurement NEN several alternative methods are used, such as by the method described in the published patent application DE 10 04 050 627 Al, by triangulation, interferometry or transit time measurement.
Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, oder um andere Entfernungsmessverfahren zu nutzen, können auch mehrere Farbkanäle pro Superpixel 42 für Abstandsmessungen vorgesehen sein, wobei dann jedes der für die Entfernungsmessung vorgesehe- nen Sensofelemente 11 auf einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich unterschiedlicher Sendesignale S abgestimmt ist. Dementsprechend können auch mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, um das Bildobjekt 44 auszuleuchten.In order to increase the measurement accuracy, or to use other distance measuring methods, it is also possible to provide a plurality of color channels per superpixel 42 for distance measurements, in which case each of the sensor elements 11 provided for the distance measurement is tuned to a different wavelength range of different transmission signals S. Accordingly, multiple light sources with different wavelengths can be used to illuminate the image object 44.
Ein Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen multispektralen 3D-Bildsensors zur Abstandsmessung besteht beispielsweise in Form einer Fahrer-Assistenz-Kamera.An application example of a multispectral 3D image sensor according to the invention for distance measurement consists for example in the form of a driver assistance camera.
Fig. 4c zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Zeile eines 3D-Bildsensors 40, wobei weitere Zeilen ähnlich aufgebaut sind. Es lässt sich erkennen, dass jedes Superpixel 42 sechs Sensorelemente 11-1,..., 11-6 für sechs Spektralkanäle aufweist. Drei im sichtbaren RGB-Bereich (470 μm, 520 μm, 650 μm) und drei im IR-Bereich (780 μm, 890 μm, 910 μm) . Beispielsweise hat lediglich jeder fünfte Superpixel 42 noch zwei Zusatzkanäle bzw. Sensorelemente 11-7, 11-8 für eine Abstandsmessung. Für Fahrer-Assistenz-Systeme ist dies ausreichend, um die dritte Dimension, d.h. die Entfer- nung, zum Bildobjekt zu messen. Nach einer Signalverarbeitung und -auswertung erhält man somit zwei 3D-Bilder, ein 3D-RGB-BiId und ein 3D-IR-BiId. Das 3D-IR-BiId kann besonders bei Nebel oder Nacht hilfreich sein.Fig. 4c shows schematically a section of a line of a 3D image sensor 40, wherein further lines are constructed similarly. It can be seen that each superpixel 42 has six sensor elements 11-1,..., 11-6 for six spectral channels. Three in the visible RGB range (470 μm, 520 μm, 650 μm) and three in the IR range (780 μm, 890 μm, 910 μm). For example, only every fifth superpixel 42 has two additional channels or sensor elements 11-7, 11-8 for a distance measurement. For driver assistance systems, this is sufficient to accommodate the third dimension, i. the distance to measure to the image object. After signal processing and evaluation, two 3D images, a 3D RGB image and a 3D IR image, are thus obtained. The 3D IR image can be particularly useful in fog or night.
Fig. 5 zeigt exemplarisch zwei Aufbaumöglichkeiten eines Spektrometers mit einem Multispektralsensorchip gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 (links) zeigt einen Aufbau eines Spektrometers aus einem optischen System 331, welches Licht sammelt und auf einen erfindungsgemäßen multispektralen Bildsensor 50 überträgt. Die Empfangsoptik 331 kann beispielsweise ein opti- sches Modul sein in einem herkömmlichen Spektrometer, oder aber auch nur ein Objektiv, das Umgebungslicht auf den Chip 50 fokussiert.5 shows by way of example two construction possibilities of a spectrometer with a multi-spectral sensor chip according to embodiments of the present invention. FIG. 5 (left) shows a construction of a spectrometer from an optical system 331, which collects light and transmits it to a multispectral image sensor 50 according to the invention. The receiving optics 331 may, for example, be an optical module in a conventional spectrometer, or even only a lens that focuses ambient light onto the chip 50.
Eine zweite Möglichkeit ist ein Aufbau ohne optisches Sys- tem, wie es in Fig. 5 (rechts) gezeigt ist. In diesem Fall sind die Filterstrukturen des Multispektralchips 50 so ausgeführt, dass sie winkelselektiv sind und auch noch eine fokussierende Wirkung aufweisen. Dann empfängt der Chip 50 nur Licht eines vordefinierten Raumwinkelbereichs W, wie es in Fig. 5 (rechts) angedeutet ist.A second possibility is a structure without an optical system, as shown in FIG. 5 (right). In this case, the filter structures of the multispectral chip 50 are designed so that they are angle-selective and also have a focusing effect. Then, the chip 50 receives only light of a predefined solid angle range W, as indicated in FIG. 5 (right).
Nachdem im Vorhergehenden diverse Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Multispektralchips und daraus aufgebauten Spektrometern erläutert wurden, soll im Nachfolgenden de- tailliert auf die Einzelelemente bzw. Sensorelemente eines derartigen Multispektralchips eingegangen werden.After various embodiments of multispectral chips according to the invention and spectrometers constructed therefrom have been explained above, the individual elements or sensor elements of such a multispectral chip will be discussed in detail below.
Dazu zeigt Fig. 6 zunächst eine schematische Ansicht eines Sensorelements 11 zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs, wobei zur Verdeutlichung des Aufbaus des Sensorelements 11 ein Ausschnitt besonders hervorgehoben ist.For this purpose, FIG. 6 initially shows a schematic view of a sensor element 11 for filtering electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range, a section being particularly emphasized in order to clarify the structure of the sensor element 11.
Das Sensorelement 11 weist eine Filterstruktur 12 mit we- nigstens einem photonischen Kristall bzw. einem Array aus photonischen Kristallen auf und einen Pixelsensor 14, wobei die Filterstruktur 12 und der Pixelsensor 14 gemäß Ausführungsbeispielen derart in einem Halbleitersubstrat 16 integriert sind, so dass der Pixelsensor 14 in einem Feldkon- zentrationsbereich der Filterstruktur 12 angeordnet ist.The sensor element 11 has a filter structure 12 with at least one photonic crystal or an array of photonic crystals and a pixel sensor 14, wherein the filter structure 12 and the pixel sensor 14 are integrated in a semiconductor substrate 16 according to exemplary embodiments such that the pixel sensor 14 is arranged in a field concentration area of the filter structure 12.
Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, handelt es sich bei der Filterstruktur 12 gemäß Ausführungsbeispielen um einen photonischen Kristall bzw. um eine periodische Anordnung einer Mehrzahl von photonischen Kristallen, wobei die Filterstruktur 12 bzw. jeder der photonischen Kristalle aus einem Schichtstapel aus dielektrischen Schichten und strukturierten Metallschichten gebildet ist, worauf im Nachfolgenden noch näher eingegangen wird.As already described above, the filter structure 12 is according to exemplary embodiments a photonic crystal or a periodic arrangement of a plurality of photonic crystals, wherein the filter structure 12 or each of the photonic crystals is formed from a layer stack of dielectric layers and structured metal layers, which will be described in more detail below.
An dieser Stelle soll anhand von Fig. 7, welche eine Draufsicht auf Fig. 6 darstellt, erläutert werden, was im FoI- genden unter einem photonischen Kristall bzw. einem Array aus photonischen Kristallen verstanden werden soll.At this point, it will be explained with reference to FIG. 7, which represents a plan view of FIG. 6, what is meant by a photonic crystal or an array of photonic crystals in the following.
Ein einzelner photonischer Kristall der Filterstruktur 12 ist in Fig. 7 mit Bezugszeichen 122 gekennzeichnet, während die Gesamtheit der photonischen Kristalle als Array 124 bzw. periodische Anordnung von photonischen Kristallen bezeichnet werden soll. Dabei kann der Array 124 von photonischen Kristallen wiederum als ein größerer, übergeordneter photonischer Kristall betrachtet werden.A single photonic crystal of the filter structure 12 is designated by reference numeral 122 in FIG. 7, while the entirety of the photonic crystals is to be referred to as array 124 or periodic arrangement of photonic crystals. In this case, the array 124 of photonic crystals can again be regarded as a larger, higher-order photonic crystal.
Bei Ausführungsbeispielen bewirkt die Filterstruktur 12 mit dem wenigstens einen photonischen Kristall 122 für auf einer dem Pixelsensor 14 abgewandten Seite 120 eintreffenden elektromagnetischen Strahlung 118 eine spektrale Selektion bzw. eine spektrale Filterung sowie eine Fokussierung e- lektromagnetischer Strahlung eines vordefinierten Wellenlängenbereichs in dem Feldkonzentrationsbereich, so dass nahe einer dem Pixelsensor 14 zugewandten Seite der Filterstruktur bzw. nahe dem Pixelsensor 14 für den vordefinier- ten Wellenlängenbereich eine elektomagnetische Feldkonzentration vorherrscht, welche von dem Pixelsensor 14 detek- tiert werden kann. Dabei handelt es sich bei Ausführungsbeispielen bei dem Pixelsensor 14 um ein Bauteil, das e- lektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal um- wandeln kann, wie z.B. ein PN-Ubergangssensor . Dabei meint ein PN-Übergangssensor einen Sensor mit einem durch unterschiedliche Dotierung realisierten PN-Ubergang. Gemäß Aus- führungsbeispielen ist der PN-Übergangssensor als Photodiode ausgebildet.In embodiments, the filter structure 12 with the at least one photonic crystal 122 for on a side facing away from the pixel sensor 14 120 incident electromagnetic radiation 118 spectral selection or spectral filtering and focusing e- lektromagnetischer radiation of a predefined wavelength range in the field concentration range, so that near an edge of the filter structure facing the pixel sensor 14 or near the pixel sensor 14 for the predefined wavelength range, an electromagnetic field concentration prevails, which can be detected by the pixel sensor 14. In the case of exemplary embodiments, the pixel sensor 14 is a component which can convert electromagnetic radiation into an electrical signal, for example a PN transfer sensor. In this case, a PN junction sensor means a sensor with a PN junction realized by different doping. According to Aus For example, the PN junction sensor is designed as a photodiode.
Im optischen Wellenlängenbereich bedeutet dies eine spekt- rale Selektion einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines vordefinierten Wellenlängenbereichs um die Wellenlänge durch den wenigstens einen photonischen Kristall 122, und eine Fokussierung des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge. Welche Wellenlänge der wenigstens eine photonische Kristall 122 passieren lässt und welche Wellenlängen von ihm herausgefiltert werden, hängt von der dreidimensionalen periodischen Struktur des wenigstens einen photonischen Kristalls 122 bzw. dem Array 124 ab.In the optical wavelength range, this means a spectral selection of a specific wavelength or a predefined wavelength range around the wavelength by the at least one photonic crystal 122, and a focusing of the light with the predetermined wavelength. Which wavelength the at least one photonic crystal 122 passes and which wavelengths are filtered out by it depends on the three-dimensional periodic structure of the at least one photonic crystal 122 or the array 124.
Somit kann das Sensorelement 11 als Bandpass verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, in dem vordefinierten Wellenlängenbereich zu detektieren.Thus, the sensor element 11 can be used as a bandpass filter to detect electromagnetic radiation, in particular light, in the predefined wavelength range.
Der Pixelsensor 14 ist also vorzugsweise in dem Feldkon- zentrationsbereich der Filterstruktur 12 bzw. des Arrays 124 von photonischen Kristallen 122 angeordnet. Der Feldkonzentrationsbereich weist von der zweiten Seite der Filterstruktur 12 einen vorbestimmten Abstand d auf, der im Wesentlichen durch die Prozesstechnologie bestimmt wird. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Abstand d bei einer 0,18 μm CMOS-Prozesstechnologie kleiner als 3 μm, vorzugsweise kleiner als 2μm.The pixel sensor 14 is therefore preferably arranged in the field concentration region of the filter structure 12 or of the array 124 of photonic crystals 122. The field concentration region has a predetermined distance d from the second side of the filter structure 12, which is determined essentially by the process technology. According to embodiments, the distance d in a 0.18 μm CMOS process technology is less than 3 μm, preferably less than 2 μm.
Sensorelemente basierend auf photonischen Kristallen lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie beispielsweise einem CMOS- Opto-Prozess realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.Sensor elements based on photonic crystals can be realized with CMOS processes, such as a CMOS opto-process, without the need for additional process steps or further processing.
Ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Sensorele- ments auf einem Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen Schritt des Erzeugens eines Pixelsensors 14 an einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen einer Filterstruktur 12 mit wenigstens einem photonischen Kristall auf den Pixelsensor 14, so dass sich der Pixelsensor 14 in einem Feldkonzentrationsbereich des wenigstens einen photonischen Kristalls befindet und von diesem vollständig bedeckt wird, wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind.A method for producing an integrated sensor element on a substrate according to embodiments comprises a step of generating a pixel sensor 14 on a substrate surface of the substrate and applying a filter structure 12 with at least one photonic Crystal on the pixel sensor 14, so that the pixel sensor 14 is located in a field concentration region of the at least one photonic crystal and is completely covered by this, wherein the generating and applying are part of a CMOS process.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das Aufbringen des wenigstens einen photonischen Kristalls 122 ein Aufbringen eines Schichtstapels von dielektrischen Schichten und Me- tallschichten, wobei die Metallschichten jeweils Mikrostrukturen aufweisen, welche Abmessungen und Abstände zwischen zwei benachbarten Mikrostrukturen aufweisen, die eine Übertragung elektromagnetischer Strahlung des vordefinierten Wellenlängenbereichs durch den wenigstens einen photo- nischen Kristall 122 erlauben.According to exemplary embodiments, the application of the at least one photonic crystal 122 comprises depositing a layer stack of dielectric layers and metal layers, the metal layers each having microstructures having dimensions and spacings between two adjacent microstructures which permit transmission of electromagnetic radiation of the predefined wavelength range through the allow at least one photonic crystal 122.
Ein Zwischenprodukt eines integrierten Sensors gemäß Ausführungsbeispielen ist schematisch in Fig. 8 gezeigt.An intermediate product of an integrated sensor according to embodiments is shown schematically in FIG.
Des in Fig. 8 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte, integrierte Sensorelement umfasst ein Substrat 16, insbesondere ein Halbleitersubstrat, indem ein Pixelsensor 14 eingebracht ist. Dabei ist der Pixelsensor 14 in einer Ebene 132 angeordnet, die den Feldkonzentrationsbereich (eine Art Brennebene, die man aus der klassischen Optik kennt) der Filterstruktur 12 bzw. des Arrays 124 aus photonischen Kristallen 122 umfasst.The integrated sensor element, which is not yet completely manufactured, shown in FIG. 8, comprises a substrate 16, in particular a semiconductor substrate, in which a pixel sensor 14 is introduced. In this case, the pixel sensor 14 is arranged in a plane 132 which comprises the field concentration region (a type of focal plane known from classical optics) of the filter structure 12 or of the array 124 of photonic crystals 122.
Die nicht fertiggestellte optische Struktur in Fig. 8 weist einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 134 und dielektrischen Schichten 136 auf. Fig. 8 zeigt lediglich exemplarisch vier metallische Schichten 134-1 bis 134-4 und drei dielektrische Schichten 136-1 bis 136-3. Je nach Ausführungsform kann die Schichtanzahl von dem in Fig. 8 ge- zeigten Beispiel abweichen.The unfinished optical structure in FIG. 8 has a layer stack of metallic layers 134 and dielectric layers 136. FIG. 8 merely shows by way of example four metallic layers 134-1 to 134-4 and three dielectric layers 136-1 to 136-3. Depending on the embodiment, the number of layers may differ from the example shown in FIG. 8.
Bei aktuellen CMOS-Prozessen besteht die Möglichkeit, die Metallschichten 134-1 bis 134-4 so zu strukturieren, dass daraus resultierende Mikrostrukturen bzw. Mikroelemente periodisch angeordnet sind und Abmessungen und Abstände aufweisen, die in der Größenordnung von Wellenlängen eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs, insbesondere eines op- tischen Wellenlängenbereichs, liegen. Dies ermöglicht es, dreidimensionale periodische Strukturen mit Eigenschaften von photonischen Kristallen direkt auf einem Chip zu erzeugen. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, sind bei Äusführungsbeispielen die einzelnen Mikroelemente bzw. Mikrostrukturen in der Größenordnung einer vorbestimmten optischen Wellenlänge, so dass ein dreidimensionaler photonischer Kristall entsteht.In current CMOS processes, it is possible to structure the metal layers 134-1 to 134-4 in such a way that resulting microstructures or microelements are arranged periodically and have dimensions and distances that are in the order of wavelengths of a predetermined wavelength range, in particular an optical wavelength range. This makes it possible to produce three-dimensional periodic structures with properties of photonic crystals directly on a chip. As already described above, in exemplary embodiments, the individual microelements or microstructures are of the order of magnitude of a predetermined optical wavelength, so that a three-dimensional photonic crystal is produced.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird der Pixelsensor 14 vor- zugsweise sehr nahe an der letzten Metallschicht 134-1 der Struktur platziert, wobei der Abstand d abhängig vom Her- stellungsprozess ist. Der Abstand des Feldkonzentrationsbereichs von der letzten Metallschicht 134-1 der Filterstruktur 12 kann durch Abmessungen und Abstände von Strukturie- rungen der Metallschichten 134 eingestellt werden. Für ein integriertes optisches Sensorelement wird der Abstand d daher kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm gewählt. Bei 0,18 μm CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen dem Pixelsensor 14 und der Filterstruktur 12 bzw. der letz- ten Metallschicht 134-1 kleiner als 2 μm.According to embodiments, the pixel sensor 14 is preferably placed very close to the last metal layer 134-1 of the structure, the distance d being dependent on the manufacturing process. The distance of the field concentration area from the last metal layer 134-1 of the filter structure 12 can be adjusted by dimensions and spacings of structuring of the metal layers 134. For an integrated optical sensor element, the distance d is therefore chosen to be less than 20 μm and preferably less than 8 μm. In the case of 0.18 μm CMOS processes, the distance between the pixel sensor 14 and the filter structure 12 or the last metal layer 134-1 is less than 2 μm.
Die in Fig. 8 exemplarisch gezeigten Metallschichten 134-1 bis 134-4 werden in einem CMOS-Prozess geeignet strukturiert, um einen photonischen Kristall mit einer guten opti- sehen Filterwirkung und evtl. sogleich fokussierender Wirkung zu erhalten, so dass keine zusätzliche Farbfilterbe- schichtung benötigt wird.The metal layers 134-1 to 134-4 shown by way of example in FIG. 8 are suitably structured in a CMOS process in order to obtain a photonic crystal with a good optical filter effect and optionally a focussing effect, so that no additional color filter coating is required. layering is needed.
Ein Sensorelement 11 gemäß Ausführungsbeispielen kann also realisiert werden, indem man die vorhandenen metallischen 134 und dielektrischen Schichten 136 ausnutzt. Bei Ausführungsbeispielen ist der Pixelsensor 14 das einzige optoelektronische Bauteil, insbesondere eine Photodiode, eines integrierten Sensorelements eines multispektralen Bildsensors. Dabei überlappt der Pixelsensor 14 lateral mit der Filterstruktur und ist individuell ansteuerbar. Der Pixelsensor 14 ist gemäß Äusführungsbeispielen vorzugsweise von den Metallschichten 134 vollständig abgedeckt.A sensor element 11 according to embodiments can thus be realized by taking advantage of the existing metallic 134 and dielectric layers 136. In embodiments, the pixel sensor 14 is the only opto-electronic device, in particular a photodiode, one integrated sensor element of a multispectral image sensor. In this case, the pixel sensor 14 overlaps laterally with the filter structure and can be controlled individually. The pixel sensor 14 is preferably completely covered by the metal layers 134 according to exemplary embodiments.
Fig. 9a zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Sensorelements 11 mit einem photonischen Kristall 122 und einem Pixelsensor 14.FIG. 9 a shows a schematic side view of a section of an integrated sensor element 11 with a photonic crystal 122 and a pixel sensor 14.
Der in Fig. 9a gezeigte photonische Kristalll 122 umfasst periodisch angeordnete strukturierte Metallschichten 134-2 bis 134-4 in einem dielektrischen Medium 136, wie z.B. SiO2 The photonic crystal 122 shown in FIG. 9a includes periodically arranged patterned metal layers 134-2 through 134-4 in a dielectric medium 136, such as SiO 2
(Siliziumdioxid) . Die strukturierten Metallschichten 134 weisen Mikroelemente 148 mit MikroÖffnungen auf, so wie es in der Seitenansicht des integrierten Sensorelements 11 in Fig. 9a angedeutet ist. Die geometrische Form dieser Mikroelemente 148 bzw. MikroÖffnungen kann vielfältig ausgestaltet sein und hängt von den gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften des photonischen Kristalls 122 ab. Möglich sind beispielsweise kreisförmige MikroÖffnungen, deren Abmessungen und Abstände zueinander in der Größenordnung einer Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs sind. Ein Abstand 1 zwischen benachbarten strukturierten Metallschichten 134 liegt ebenfalls in der Größenordnung der Wellenlänge des gewünschten Wellenlängenbereichs.(Silica). The structured metal layers 134 have microelements 148 with micro-openings, as indicated in the side view of the integrated sensor element 11 in FIG. 9a. The geometric shape of these microelements 148 or micro-openings can be configured in many ways and depends on the desired electromagnetic properties of the photonic crystal 122. Possible, for example, circular micro-openings whose dimensions and distances from each other are of the order of a wavelength of the predetermined wavelength range. A distance 1 between adjacent patterned metal layers 134 is also on the order of the wavelength of the desired wavelength range.
Gemäß Ausführungsbeispielen weisen die strukturierten Metallschichten 134-2 bis 134-4 des Sensorelements 11, das für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich bzw. eine Farbe selektiv ist, Mikroelemente 148 auf, deren Abstände und Abmessungen eine Größenordnung aufweisen, um beispielsweise an einer dem Pixelsensor 14 zugewandten Seite des photonischen Kristalls 122 eine spektrale Selektion und Konzentra- tion des vordefinierten Wellenlängenbereichs zu bewirken. Die Abmessungen und Abstände der Mikroelemente 148 weisen gemäß Ausführungsbeispielen eine Größenordnung auf, welche in einem vordefinierten Bereich, z.B. unterhalb, um die ge- wünschte Wellenlänge λres des vordefinierten Wellenlängenbereichs liegt. Daher werden die Mikroelemente 148 im Nachfolgenden auch als Sub-Wellenlängen-Strukturen bezeichnet. Für optische Wellenlängenbereiche weisen die Sub- Wellenlängen-Strukturen Abmessungen und Abstände zwischen zwei benachbarten Sub-Wellenlängen-Strukturen 148 auf, die im Bereich des vordefinierten Wellenlängenbereichs liegen.According to embodiments, the patterned metal layers 134-2 to 134-4 of the sensor element 11, which is selective for a predetermined wavelength range or color, comprise microelements 148 whose pitches and dimensions are of the order of magnitude, for example, on a side facing the pixel sensor 14 of the photonic crystal 122 to effect spectral selection and concentration of the predefined wavelength range. The dimensions and spacings of the microelements 148 have, in accordance with exemplary embodiments, an order of magnitude which, in a predefined area, for example below, around which desired wavelength λ res of the predefined wavelength range is located. Therefore, the microelements 148 will hereinafter also be referred to as sub-wavelength structures. For optical wavelength ranges, the sub-wavelength structures have dimensions and distances between two adjacent sub-wavelength structures 148 that are in the range of the predefined wavelength range.
Fig. 10a zeigt eine Draufsicht auf eine mögliche Ausfüh- rungsform von den in den Metallschichten 134 realisierten Sub-Wellenlängen-Strukturen 148.10 a shows a top view of a possible embodiment of the sub-wavelength structures 148 implemented in the metal layers 134.
Fig. 10a kann als eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer strukturierten Metallschicht 134 des integrierten Sen- sorelements 11 gesehen werden. In eine Metallschicht sind Sub-Wellenlängen-Elemente 148 angebracht. Dabei zeigt Fig. 10a exemplarisch einen Ausschnitt mit in einer 3x3-Matrix angeordneten Sub-Wellenlängen-Elementen 148, welche eine sogenannte Split-Ring-Resonator-Struktur aufweisen. Fig. 10a zeigt also eine Draufsicht einer möglichen Realisierungsform der in Fig. 9a in einer Seitenansicht gezeigten verschiedenen Metallschichten 134 mit metallischen Sub- Wellenlängen-Strukturen 148. Die Abmessungen der Sub- Wellenlängen-Strukturen 148 sind dabei vergleichbar oder kleiner als die Wellenlänge λres des vordefinierten Wellenlängenbereichs. Gemäß Ausführungsbeispielen liegen die Abmessungen der Sub-Wellenlängen-Strukturen 148 in einem Bereich von beispielsweise 0.3 λres bis 3λ *-rres •FIG. 10 a can be seen as a top view of a section of a structured metal layer 134 of the integrated sensor element 11. In a metal layer, sub-wavelength elements 148 are attached. In this case, FIG. 10 a shows by way of example a detail with sub-wavelength elements 148 arranged in a 3 × 3 matrix, which have a so-called split-ring resonator structure. Thus, FIG. 10a shows a top view of a possible implementation of the various metal layers 134 with metallic sub-wavelength structures 148 shown in a side view in FIG. 9a. The dimensions of the sub-wavelength structures 148 are comparable or smaller than the wavelength λ res of the predefined wavelength range. According to exemplary embodiments, the dimensions of the sub-wavelength structures 148 are in a range of, for example, 0.3 λ res to 3 λ * r res.
Ändert man das Verhältnis der Radien eines äußeren und eines inneren Kreises eines in Fig. 10a gezeigten Split-Ring- Resonators 148, so verändert sich die entsprechende Resonator-Wellenlänge. Es sei hervorzuheben, dass auch andere Sub-Wellenlängen-Strukturen, wie beispielsweise sogenannte LC-Loaded-Transmission Lines, möglich sind, wobei wichtig ist, dass eine spektral selektive Transmission erzielt werden sollte. Fig. IIa zeigt einen Ausschnitt eines integriertes Sensorelements 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.Changing the ratio of the radii of an outer and an inner circle of a split-ring resonator 148 shown in Fig. 10a, the corresponding resonator wavelength changes. It should be emphasized that other sub-wavelength structures, such as so-called LC-Loaded-Transmission Lines, are possible, wherein it is important that a spectrally selective transmission should be achieved. Fig. IIa shows a section of an integrated sensor element 11 according to a further embodiment of the present invention.
Zusätzlich zu den anhand von Fig. 9a beschriebenen strukturierten Metallschichten weist das in Fig. IIa dargestellte integrierte Sensorelement 11 zusätzlich eine Metallschicht 134-1 zwischen dem mittels der Schichten 134-2 bis 134-4 gebildeten photonischen Kristall 122 und dem Pixelsensor 14 auf, welche eine Öffnung 152 aufweist. Dabei ist der Pixelsensor 14 in einem Abstand d von der untersten Metallschicht 134-2 des photonischen Kristalls beabstandet. Für einen integrierten optischen Sensor wird der Abstand d kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm gewählt. Bei 0,18 μm CMOS-Prozessen ist der Abstand d zwischen dem Pixelsensor 14 und untersten Metallschicht 134-2 des photonischen Kristalls kleiner als 2 μm. Auch hier sind die SubWellenlängen-Elemente 148 der verschiedenen Metallschichten 134-2 bis 134-4, genau wie bei dem in Fig. 9a gezeigten Ausführungsbeispiel, jeweils exakt untereinander platziert. Ein derartiger dreidimensionaler Aufbau strukturierten Metallschichten 134-2 bis 134-4 bildet ein als Linse wirkenden photonischen Kristall. In der untersten, das heißt, dem Pixelsensor 14 am nächstliegenden Metallschicht 134-1, be- findet sich eine Öffnung 152, so dass das Zentrum der Öffnung 152 und eine Symmetrieachse 154 des photonischen Kristalls zusammenfallen. Die aus dem photonischen Kristall 122 bestehende Filterstruktur und die Öffnung 152 befinden sich somit idealerweise auf einer gemeinsamen optischen Achse 154. Dieser Zusammenhang ist zur Veranschaulichung noch einmal in einer Draufsicht auf das Sensorelement 11 in Fig. 10b gezeigt.In addition to the structured metal layers described with reference to FIG. 9a, the integrated sensor element 11 shown in FIG. 11a additionally has a metal layer 134-1 between the photonic crystal 122 formed by the layers 134-2 to 134-4 and the pixel sensor 14 has an opening 152. In this case, the pixel sensor 14 is at a distance d from the bottom metal layer 134-2 of the photonic crystal spaced. For an integrated optical sensor, the distance d is selected to be smaller than 20 μm, and preferably smaller than 8 μm. For 0.18 μm CMOS processes, the distance d between the pixel sensor 14 and the bottom metal layer 134-2 of the photonic crystal is less than 2 μm. Again, the sub-wavelength elements 148 of the various metal layers 134-2 to 134-4, just as in the embodiment shown in Fig. 9a, each placed exactly below each other. Such a three-dimensional structure structured metal layers 134-2 to 134-4 forms a photonic crystal acting as a lens. In the lowermost, that is, the closest metal layer 134-1 to the pixel sensor 14, there is an opening 152 so that the center of the opening 152 and an axis of symmetry 154 of the photonic crystal coincide. The filter structure consisting of the photonic crystal 122 and the opening 152 are thus ideally located on a common optical axis 154. This relationship is shown once again in a plan view of the sensor element 11 in FIG. 10b for illustration.
Die Symmetrieachse 154 des photonischen Kristalls 122 bzw. des Sensorelements 11 fällt zumindest näherungsweise mit dem Mittelpunkt der Öffnung 152 zusammen. Unterhalb derThe symmetry axis 154 of the photonic crystal 122 or the sensor element 11 coincides at least approximately with the center of the opening 152. Below the
Öffnung 152 in einem Abstand kleiner als d befindet sich eine optisch aktive Oberfläche des Pixelsensors 14, welcher eine Photodiode sein kann.Opening 152 is located at a distance less than d an optically active surface of the pixel sensor 14, which may be a photodiode.
Die im Vorhergehenden beschriebene Filterstruktur 12 bzw. der wenigstens eine photonische Kristall 122 weist für eine bestimmte Resonanzwellenlänge λres bzw. für einen vorbestimmten Resonanzwellenlängenbereich eine fokussierende Wirkung auf. Das heißt, das sich beim Auftreffen von elektromagnetischer Strahlung auf den photonischen Kristall 122 lediglich die Resonanzwellenlänge bzw. der Resonanzwellenlängenbereich ungehindert durch diesen ausbreiten kann. Durch die fokussierende Wirkung des photonischen Kristalls 122 bildet sich ein Feldkonzentrationsbereich, in dem für die Resonanzwellenlänge λres bzw. den Resonanzwellenbereich eine erhöhte elektromagnetische Feldkonzentration vorherrscht. Wellenlängen außerhalb des vordefinierten Wellenlängenbereichs werden von dem photonischen Kristall 122 erst gar nicht durchgelassen bzw. sehr stark gedämpft.The above-described filter structure 12 or the at least one photonic crystal 122 has a focusing effect for a specific resonance wavelength λ res or for a predetermined resonance wavelength range. That is, when the electromagnetic radiation impinges on the photonic crystal 122, only the resonance wavelength and the resonance wavelength range, respectively, can propagate unhindered therethrough. The focusing effect of the photonic crystal 122 forms a field concentration range in which an increased electromagnetic field concentration predominates for the resonance wavelength λ res or the resonance wave range. Wavelengths outside the predefined wavelength range are not transmitted at all by the photonic crystal 122 or are very strongly attenuated.
Wird kollimiertes Licht verwendet, kann die Filterstruktur 12 mit dem Array 124 photonischer Kristalle 122 derart ausgebildet werden, dass sie keine nennenswerte Fokussierwir- kung aufweist. D.h. die Subwellenlängenstrukturen 148 werden derart dimensioniert, dass der Feldkonzentrationsbe- reich quasi im Unendlichen liegt.If collimated light is used, the filter structure 12 may be formed with the array 124 of photonic crystals 122 such that it has no appreciable focusing effect. That the subwavelength structures 148 are dimensioned such that the field concentration range is virtually at infinity.
Bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt der Feldkonzentrationsbereich eines photonischen Kristalls 122 in der Nähe der Symmetrieachse 154. Wird der Pixelsensor 14 in der Nähe dieses Feldkonzentrationsbereichs bzw. in diesem Feldkonzentrationsbereich angeordnet, so kann von dem Pixelsensor 14 bei Ausführungsbeispielen die Feldkonzentration der Resonanzwellenlänge λres bzw. des Resonanzwellenbereichs detektiert werden.In the embodiments described above, the field concentration range of a photonic crystal 122 is in the vicinity of the axis of symmetry 154. If the pixel sensor 14 is arranged in the vicinity of this field concentration range or in this field concentration range, the field concentration of the resonance wavelength λ res can be determined by the pixel sensor 14 in embodiments or the resonant wave range can be detected.
Durch die Metallschicht 134-1 mit der Öffnung 52 zwischen dem photonischen Kristall 12 und der Photodiode 14 kann ei- ne spektrale Selektivität nochmals erhöht werden. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 12 gezeigt.Through the metal layer 134-1 with the opening 52 between the photonic crystal 12 and the photodiode 14, an ne spectral selectivity can be increased again. This relationship is shown in FIG.
Der Übersichtlichkeit halber zeigt Fig. 12 lediglich einen Pixelsensor 14 in Form einer Photodiode 14, welche hinter bzw. unter der Metallschicht 134-1 mit der Öffnung 152 angeordnet ist. Der photonische Kristall 122, der vor bzw. über der Metallschicht 134-1 angeordnet ist, ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.For the sake of clarity, FIG. 12 shows only a pixel sensor 14 in the form of a photodiode 14, which is arranged behind or underneath the metal layer 134-1 with the opening 152. The photonic crystal 122, which is disposed in front of and above the metal layer 134-1, is not shown for the sake of clarity.
Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, bildet sich bei Ausführungsbeispielen durch die fokussierende Wirkung des photonischen Kristalls 122 in der Nähe der Metallschicht 134-1, die der Photodiode 14 am nächsten liegt, für eine bestimmte Resonanzwellenlänge λres eine Feldkonzentration aus, nicht aber für andere Wellenlängen. Das bedeutet, dass nur die elektromagnetische Strahlung der gewünschten bzw. durch die dreidimensionale periodische Struktur des photonischen Kristalls eingestellten Wellenlänge λres zumin- dest nahezu verlustfrei auf die Photodiode 14 treffen kann, während andere Wellenlängen durch den photonischen Kristall ausgefiltert werden. D.h. der Feldkonzentrationsbereich des photonischen Kristalls 122 ist wellenlängenabhängig.As previously described, in embodiments, the focusing effect of the photonic crystal 122 in the vicinity of the metal layer 134-1 closest to the photodiode 14 forms a field concentration for a particular resonant wavelength λ res , but not for others wavelengths. This means that only the electromagnetic radiation of the desired wavelength λ res set by the three-dimensional periodic structure of the photonic crystal can strike the photodiode 14 at almost virtually loss-free, while other wavelengths are filtered out by the photonic crystal. That is, the field concentration range of the photonic crystal 122 is wavelength-dependent.
Durch die Öffnung 152 in der Metallschicht 134-1 kann die spektrale Trennung deutlich verbessert werden, so dass eine optische Kopplung zwischen der Filterstruktur und dem Pixelsensor 14 auf einen Filterwellenlängentransmissionsbe- reich begrenzt ist. In Fig. 12 sind exemplarisch drei e- lektromagnetische Feldverteilungen 160, 162, 164 für drei unterschiedliche Wellenlängen in der Nähe der Photodiode 14 eingezeichnet. Für die Resonanzwellenlänge λrsS, die im FiI- terwellenlängentransmissionsbereich liegt, ist die Feldverteilung 160 am stärksten ausgebildet, d.h. die ganze Ener- gie kann die Öffnung 152 passieren, während für die anderen Wellenlängen 162, 164 nur ein kleiner Anteil die Photodiode 14 erreicht. Der photonische Kristall 122 in Form der Sub-Wellenlängen- Strukturen der oberen Metallschichten 134-2 bis 134-4 (nicht gezeigt) bewirkt zusammen mit der Öffnung 152 in der unteren Metallschicht 134-1, dass nur die vorbestimmte WeI- lenlänge λres bzw. ein vorbestimmter Wellenlängenbereich die Photodiode 14 erreicht. Dazu befindet sich vorzugsweise das Zentrum der Öffnung 152 und das Zentrum der SubWellenlängen-Strukturen 148 des photonischen Kristalls auf der Symmetrieachse 154 des photonischen Kristalls 122. An- ders ausgedrückt, liegen das Zentrum der Öffnung 152 und das Zentrum der Sub-Wellenlängen-Strukturen 148 des photonischen Kristalls 122 übereinander, so dass die SubWellenlängen-Strukturen und die Öffnung 152 eine gemeinsame optische Achse 154 aufweisen. Um eine Resonanz für andere Spektralbereiche zu erzielen, muss eine andere, geeignete Form für die Sub-Wellenlängen-Strukturen und ggf. die Öffnung 152 gewählt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen weist die Öffnung 152 einen Durchmesser von ca. 1 μm auf.The opening 152 in the metal layer 134-1 can significantly improve the spectral separation, so that an optical coupling between the filter structure and the pixel sensor 14 is limited to a filter wavelength transmission range. In FIG. 12, three exemplary electromagnetic field distributions 160, 162, 164 for three different wavelengths in the vicinity of the photodiode 14 are shown by way of example. For the resonant wavelength λ r s S , which lies in the filter wavelength transmission range, the field distribution 160 is the strongest, ie the entire energy can pass through the aperture 152, while for the other wavelengths 162, 164 only a small portion pass through the photodiode 14 reached. The photonic crystal 122 in the form of the sub-wavelength structures of the upper metal layers 134-2 to 134-4 (not shown), together with the opening 152 in the lower metal layer 134-1, causes only the predetermined wavelength λ res resp ., A predetermined wavelength range reaches the photodiode 14. For this purpose, preferably the center of the aperture 152 and the center of the sub-wavelength structures 148 of the photonic crystal on the axis of symmetry 154 of the photonic crystal 122 is. In other words, the center of the aperture 152 and the center of the sub-wavelength structures 148 are located of the photonic crystal 122 so that the sub-wavelength structures and the aperture 152 have a common optical axis 154. In order to achieve resonance for other spectral regions, another suitable shape must be selected for the sub-wavelength structures and possibly the aperture 152. According to embodiments, the opening 152 has a diameter of approximately 1 μm.
An dieser Stelle soll noch einmal erwähnt werden, dass die Metallschicht 134-1 mit der Öffnung 152 nicht zwingend notwendig ist, um ein Sensorelement gemäß Ausführungsbeispielen herzustellen. Jedoch umfassen bevorzugte Ausführungsformen die unterste Metallschicht 134-1 mit der Öffnung 152, da durch die sie die spektrale Selektivität der Anordnung verbessert werden kann.At this point, it should be mentioned once again that the metal layer 134-1 with the opening 152 is not absolutely necessary in order to produce a sensor element according to exemplary embodiments. However, preferred embodiments include the bottom metal layer 134-1 with the opening 152 because it can improve the spectral selectivity of the device.
Eine weitere Möglichkeit des Schichtaufbaus der strukturierten Metallschichten 134 besteht darin, statt der Loch- Öffnung 152 der untersten Metallschicht 134-1 eine periodische Struktur aus den gleichen oder anderen Mikroelementen 148, wie in den darüber liegenden Metallschichten 134-2 bis 134-4 auszubilden, wobei die Mikroelemente der untersten Metallschicht 134-1 aber zu denen der darüber liegenden Me- tallschichten lateral verschoben sind (gebrochene Symmetrie) . Wie im Vorhergehenden bereits erwähnt wurde, können die Mikroelemente 148 eine Vielzahl von Formen annehmen. Es sind also beispielsweise die beschriebenen sogenannten Split-Ring-Resonatoren möglich. Andere Formen sind aber e- benfalls denkbar. Die Mikroelemente 148 haben eine eigene Filterwirkung, die eine Transmission von elektromagnetischer Strahlung des photonischen Kristalls stark beein- flusst. Durch CMOS-Prozesse können nicht nur zweidimensionale, d.h. planare, sondern auch dreidimensionale Sub- Wellenlängen-Elemente 148 erzeugt werden. Dazu zeigt Fig. 13 schematisch ein Beispiel.Another way of layering the patterned metal layers 134 is to form a periodic structure of the same or different microelements 148, rather than the hole opening 152 of the bottom metal layer 134-1, as in the overlying metal layers 134-2 through 134-4. however, the microelements of the lowest metal layer 134-1 are laterally displaced from those of the overlying metal layers (broken symmetry). As previously mentioned, the microelements 148 can take a variety of forms. Thus, for example, the described so-called split-ring resonators are possible. Other forms are also conceivable. The microelements 148 have their own filtering effect, which strongly influences a transmission of electromagnetic radiation of the photonic crystal. By CMOS processes not only two-dimensional, ie planar, but also three-dimensional sub-wavelength elements 148 can be generated. 13 shows schematically an example.
Fig. 13 zeigt drei strukturierte Metallschichten 174-2 bis 174-4 mit planaren Strukturen 170 und vertikalen Durchkon- taktierungen 172 zwischen den strukturierten Metallschichten 174. Hier umfassen die einzelnen Sub-Wellenlängen- Elemente also planare Strukturen 170 und vertikale Strukturen 172, die zusammen dreidimensionale Sub-Wellenlängen- Elemente bilden. Die Durchkontaktierungen 172 stehen in Rahmen von herkömmlichen CMOS-Prozessen zur Verfügung. Diese dreidimensionalen Strukturen erlauben mehr Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich der spektralen Selektivität und der Fokussierung von elektromagnetischer Strahlung als zweidimensionale, d.h. planare Strukturen.13 shows three structured metal layers 174-2 to 174-4 with planar structures 170 and vertical through-connections 172 between the structured metal layers 174. Here, the individual sub-wavelength elements thus comprise planar structures 170 and vertical structures 172 which together form three-dimensional sub-wavelength elements. The vias 172 are available in the context of conventional CMOS processes. These three-dimensional structures allow more optimization possibilities in terms of spectral selectivity and focusing of electromagnetic radiation than two-dimensional, i. planar structures.
Lediglich exemplarisch wurde im Vorhergehenden der Aufbau von Sensorelementen 11, anhand eines Ausschnitts mit nur einem photonischen Kristall 122 beschrieben. Die Abmessungen des Arrays 124 von photonischen Kristallen 122 sind bei Ausführungsbeispielen derart gewählt, dass der die Filterstruktur 12 bzw. der Array 124 aus photonischen Kristallen 122 eine ihm bzw. der Filterstruktur 12 zugewandte Oberfläche des Pixelsensors 14 vollständig abdeckt. Dazu wird ein Array 124 aus mehreren gleichartigen, d.h. auf die gleiche Wellenlänge λres eingestellten, photonischen Kristallen 122 in einen Ebene über einer Photodiode platziert, um eine Photodiode vollständig abzudecken. Ein einzelner photonischer Kristall 122 kann bei dieser Anordnung als ein Array- element oder photonischer Sub-Kristall betrachtet werden. Im Fall einer untersten Metallschicht mit Öffnungen 152 liegen die Öffnungen 152 und die jeweiligen Zentren der Sub-Wellenlängen-Strukturen der Arrayelemente auf einer ge- meinsamen optischen Symmetrieachse 154 der Arrayelemente, so wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde.By way of example only, the construction of sensor elements 11 has been described above with reference to a section with only one photonic crystal 122. The dimensions of the array 124 of photonic crystals 122 are selected in embodiments such that the filter structure 12 or the array 124 of photonic crystals 122 completely covers a surface of the pixel sensor 14 facing it or the filter structure 12. For this purpose, an array 124 of a plurality of identical, that is set to the same wavelength λ res , photonic crystals 122 placed in a plane above a photodiode to completely cover a photodiode. A single photonic crystal 122 may be used as an array in this arrangement. element or photonic sub-crystal can be considered. In the case of a bottom metal layer with openings 152, the openings 152 and the respective centers of the sub-wavelength structures of the array elements lie on a common optical axis of symmetry 154 of the array elements, as already described above.
Mittels der im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen integrierter Sensorelemente 11 lassen sich gemäß Aus- führungsbeispielen integrierte multispektrale Bildsensoren bzw. integrierte Spektrometer aufbauen. Werden beispielsweise integrierte Sensorelemente, welche jeweils für unterschiedliche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche selektiv sind, in einer Ebene nebeneinander angeordnet, so kann ein integrierter multispektraler Bildsensor aufgebaut werden.By means of the sensor elements 11 integrated in the above-described embodiments, it is possible to construct integrated multispectral image sensors or integrated spectrometers according to embodiments. If, for example, integrated sensor elements, which are each selective for different wavelengths or wavelength ranges, are arranged next to one another in a plane, then an integrated multispectral image sensor can be constructed.
Für einen multispektralen Bildsensor können beispielsweise für einen Bildpunkt mehrere integrierte Sensorelemente verwendet werden, wobei ein erstes ausgebildet ist, um auf ei- nen ersten Wellenlängenbereich anzusprechen, ein zweites ausgebildet ist, um auf einen zweiten Wellenlängenbereich anzusprechen usw.. Das heißt, ein integrierter multispektraler Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen umfasst eine Mehrzahl von integrierten Bauteilen mit Filterstrukturen mit wenigstens einem photonischen Kristall und Pixelsensoren bzw. Fotodioden, wie sie im Vorhergehenden beschrieben wurden, wobei die Filterstrukturen von unterschiedlichen der Mehrzahl der integrierten Bauteile ausgebildet sind, um ansprechend auf elektromagnetische Strahlung unterschiedli- eher Wellenlängenbereiche jeweils an einer dem entsprechenden Pixelsensor zugewandten Seite der Filterstruktur eine elektromagnetische Feldkonzentration in der Nähe des jeweiligen Pixelsensors zu erzeugen, für die der jeweilige Pixelsensor empfindlich ist.For a multispectral image sensor, for example, a plurality of integrated sensor elements can be used for a pixel, wherein a first is designed to respond to a first wavelength range, a second is designed to respond to a second wavelength range, etc. That is, an integrated multispectral Image sensor according to embodiments comprises a plurality of integrated components with filter structures with at least one photonic crystal and pixel sensors or photodiodes, as described above, wherein the filter structures of different ones of the plurality of integrated components are designed to be different in response to electromagnetic radiation Wavelength regions respectively on a side of the filter structure facing the corresponding pixel sensor to generate an electromagnetic field concentration in the vicinity of the respective pixel sensor, for which the respective pix Elsensor is sensitive.
Ausführungsbeispiele für integrierte multispektrale Bildsensoren mit einer Mehrzahl von integrierten Sensorelementen sind exemplarisch in den Fig. 9b und IIb gezeigt. Fig. 9b zeigt exemplarisch eine Seitenansicht von drei benachbart integrierten Sensorelementen 11-1 bis 11-3, die jeweils für sich eine Struktur aufweisen, wie sie im Vor- hergehenden bereits anhand von Fig. 9a beschrieben wurde. Dabei ist bei dem in Fig. 9b dargestellten multispektralen Bildsensor 80 zu bemerken, dass die Mikroelemente 148-1 bis 148-3 der photonischen Kristalle 122-1 bis 122-3 der drei benachbarten Sensorelemente 11-1 bis 11-3 jeweils auf un- terschiedliche Wellenlängen bzw. unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt sein können.Exemplary embodiments of integrated multispectral image sensors with a plurality of integrated sensor elements are shown by way of example in FIGS. 9b and 11b. FIG. 9b shows by way of example a side view of three adjacently integrated sensor elements 11-1 to 11-3, each of which has a structure per se, as has already been described above with reference to FIG. 9a. It should be noted in the case of the multispectral image sensor 80 shown in FIG. 9b that the microelements 148-1 to 148-3 of the photonic crystals 122-1 to 122-3 of the three neighboring sensor elements 11-1 to 11-3 are each exposed to light. Different wavelengths or different wavelength ranges can be set.
Fig. IIb zeigt exemplarisch einen integrierten multispektralen Bildsensor 90 mit drei benachbart integrierten Sen- sorelementen 11-1 bis 11-3, wie sie bereits anhand von Fig. IIa ausführlich beschrieben wurden. Auch hier sind die Mikroelemente 148-1 bis 148-3 der photonischen Kristalle 122-1 bis 122-3 der jeweiligen ausgebildet, um jeweils unterschiedliche Wellenlängen zu den jeweiligen Photodioden 14 passieren zu lassen.FIG. IIb shows by way of example an integrated multispectral image sensor 90 with three adjacently integrated sensor elements 11-1 to 11-3, as already described in detail with reference to FIG. IIa. Again, the microelements 148-1 through 148-3 of the photonic crystals 122-1 through 122-3 of the respective ones are formed to pass respective different wavelengths to the respective photodiodes 14.
Nachdem im Vorhergehenden detailliert auf Sensorelemente mit als photonische Kristalle ausgebildeten Filterstrukturen eingegangen wurde, werden im Nachfolgenden Ausführungs- beispiele von Sensorelementen eines erfindungsgemäßen multispektralen Bildsensors mit Zonenplatten- Metallschichtstrukturen beschrieben.After having discussed in detail above sensor elements with filter structures designed as photonic crystals, the following describes exemplary embodiments of sensor elements of a multispectral image sensor according to the invention with zone plate metal layer structures.
Dazu zeigt Fig. 14 eine schematische Seitenansicht eines integrierten Sensorelements 11 zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.14 shows a schematic side view of an integrated sensor element 11 for filtering electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range according to a further exemplary embodiment.
Das integrierte Sensorelement 11 weist eine Filterstruktur 12 aus einer strukturierten Metallschicht mit einer Zonen- plattenstruktur 214 und einen Pixelsensor 14 auf, wobei die Filterstruktur 12 und der Pixelsensor 14 derart in einem Halbleitersubstrat integriert 16 sind, so dass der Pixel- sensor 14 in einem Feldkonzentrationsbereich der Filterstruktur 12 angeordnet ist.The integrated sensor element 11 has a filter structure 12 made of a structured metal layer with a zone plate structure 214 and a pixel sensor 14, the filter structure 12 and the pixel sensor 14 being integrated in a semiconductor substrate 16 such that the pixel sensor 14 is arranged in a field concentration region of the filter structure 12.
Die Filterstruktur 12 weist eine Sub-Lambda- Zonenplattenstruktur 214 auf, in der konzentrische Ringe eine Zonenplatte definieren. Wie es mit gestrichelten Linien gezeigt ist, kann die Zonenplattenstruktur 214 aber auch ein Array von Zonenplatten aufweisen, die dem einen Pixelsensor 14' zugeordnet ist. Obwohl hier nur ein 3x3- Array von Zonenplatten gezeigt sind, sind andere Verhältnisse auch möglich. Insbesondere ist es möglich, dass der Pixelsensor 14' größer oder kleiner als die Ausdehnung des Arrays ist. Die folgende Beschreibung konzentriert sich vornehmlich auf die isolierte Betrachtung einer Zonenplat- te, aber die Betrachtungen sind dann auch übertragbar auf den Fall eines Arrays von Zonenplatten, indem die entsprechenden Maßnahmen auf alle Zonenplatten 214a-214i übertragen werden. Die Abmessung der einzelnen transmittierenden und nicht transmittierenden Zonen der Zonenplatten kann va- riieren, wobei aber beispielsweise zumindest eine transmit- tierende Zone irgendeiner Ordnung eine Zonenbreite kleiner als die gewünschte Durchlasswellenlänge λ (Lambda) des Zo- nenplattenstrukturfilters, wie z.B. kleiner als 2μm oder sogar 1,2 μm, aufweist. Näher wird ein exemplarischer Auf- bau Bezug nehmend auf Fig. 16 erläutert.The filter structure 12 has a sub-lambda zone plate structure 214 in which concentric rings define a zone plate. However, as shown in dashed lines, the zone plate structure 214 may also include an array of zone plates associated with the one pixel sensor 14 '. Although only a 3x3 array of zone plates is shown here, other ratios are possible. In particular, it is possible for the pixel sensor 14 'to be larger or smaller than the extent of the array. The following description focuses primarily on the isolated viewing of a zone plate, but the considerations are then also applicable to the case of an array of zone plates, by transferring the corresponding measures to all zone plates 214a-214i. The dimension of the individual transmissive and non-transmissive zones of the zone plates may vary, however, for example, at least one transmitting zone of any order having a zone width less than the desired pass wavelength λ (lambda) of the zoned plate structure filter, such as e.g. less than 2μm or even 1.2μm. Further, an exemplary structure will be explained with reference to FIG. 16.
Die verschiedenen Zonen einer Zonenplatte unterscheiden sich dabei in ihrer Transparenz. Im einen Fall wird die e- lektromagnetische Strahlung an den ringförmigen Spalten ge- beugt und durch konstruktive Interferenz in wellenlängenspezifischen Feldkonzentrationsbereichen verstärkt. Je nachdem für welche Wellenlänge λres bzw. für welchen vordefinierten Wellenlängenbereich das integrierte Sensorelement 11 empfindlich sein soll, wird der Pixelsensor 14 in unter- schiedlichen Abständen zu der strukturierten Metallschicht mit Zonenplattenstruktur 214 angeordnet. Der Abstand des Pixelsensors 14 von der Zonenplatte 214 wird durch den Feldkonzentrationsbereich der Zonenplatte für die vorbe- stimmte Wellenlänge λres festgelegt. Eine Zonenplatte mit binärer Abstufung, also völlig transparent abwechselnd mit total nicht transparent, so wie sie in Fig. 14 schematisch dargestellt ist, hat viele Brennpunkte für jeweils ver- schiedene Wellenlängen.The different zones of a zone plate differ in their transparency. In one case, the electromagnetic radiation is diffracted at the annular gaps and amplified by constructive interference in wavelength-specific field concentration ranges. Depending on the wavelength λ res or for which predefined wavelength range the integrated sensor element 11 should be sensitive, the pixel sensor 14 is arranged at different distances from the structured metal layer with zone plate structure 214. The distance of the pixel sensor 14 from the zone plate 214 is determined by the field concentration range of the zone plate for the above-described agreed wavelength λ res set. A zone plate with a binary graduation, ie completely transparent alternating with totally non-transparent, as shown schematically in FIG. 14, has many focal points for different wavelengths in each case.
Bei Ausführungsbeispielen bewirkt die Zonenplattenstruktur 214 für auf einer dem Pixelsensor 14 abgewandten Seite der Metallschicht eintreffenden elektromagnetischen Strahlung 118 eine spektrale Selektion bzw. eine spektrale Filterung sowie eine Fokussierung elektromagnetischer Strahlung eines vordefinierten Wellenlängenbereichs in dem Feldkonzentrationsbereich, so dass nahe einer dem Pixelsensor 14 zugewandten Seite bzw. nahe dem Pixelsensor 14 für den vordefinier- ten Wellenlängenbereich eine elektomagnetische Feldkonzentration in dem Feldkonzentrationsbereich vorherrscht, welche von dem Pixelsensor 14 detektiert werden kann.In exemplary embodiments, the zone plate structure 214 for electromagnetic radiation 118 arriving on a side of the metal layer facing away from the pixel sensor 14 effects spectral selection or spectral filtering and focusing of electromagnetic radiation of a predefined wavelength range in the field concentration range, so that near a side facing the pixel sensor 14 Near the pixel sensor 14 for the predefined wavelength range, an electromagnetic field concentration prevails in the field concentration range which can be detected by the pixel sensor 14.
Im optischen Wellenlängenbereich bedeutet dies eine spekt- rale Selektion einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines vordefinierten Wellenlängenbereichs um die Wellenlänge durch die Zonenplatte 214, und eine Fokussierung des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge λres im Feldkonzentrationsbereich. Welche Wellenlänge die Zonenplatte im Feldkonzentra- tionsbereich, in dem der Pixelsensor 14 angeordnet ist, fo- kussiert und welche Wellenlängen von ihr herausgefiltert werden, hängt von der Struktur der Zonenplatte 214 und dem Abstand des Pixelsensors 14 von der Zonenplatte ab.In the optical wavelength range, this means a spectral selection of a specific wavelength or of a predefined wavelength range around the wavelength by the zone plate 214, and a focusing of the light with the predetermined wavelength λ res in the field concentration range. Which wavelength the zone plate in the field concentration region in which the pixel sensor 14 is arranged is focused and which wavelengths are filtered out by it depends on the structure of the zone plate 214 and the distance of the pixel sensor 14 from the zone plate.
Der Pixelsensor 14 ist also vorzugsweise in dem Brennpunktbereich der Zonenplatte 214 für den vorbestimmten Wellenlängenbereich angeordnet. Der Feldkonzentrationsbereich weist von der Zonenplatte 214 einen vorbestimmten Abstand d auf, der gemäß Ausführungsbeispielen kleiner ist als die zu selektierende Wellenlänge λres bzw. eine Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Abstand d kleiner als 20 μm oder 6-10μm. Integrierte Sensorelemente basierend auf strukturierten Metallschichten mit Zonenplattenstruktur lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie beispielsweise einem CMOS-Opto-Prozess realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.Thus, the pixel sensor 14 is preferably disposed in the focus area of the zone plate 214 for the predetermined wavelength range. The field concentration region has a predetermined distance d from the zone plate 214 which, according to exemplary embodiments, is smaller than the wavelength λ res to be selected or a wavelength of the predetermined wavelength range. According to embodiments, the distance d is smaller than 20 μm or 6-10 μm. Integrated sensor elements based on structured metal layers with a zone plate structure can be realized with CMOS processes, such as a CMOS opto process, without the need for additional process steps or further processing.
Ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Sensorelements 11 auf einem Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen Schritt des Erzeugens eines Pixelsensors 14 an einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen einer Filterstruktur 12 mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht mit Zonenplattenstruktur 214 auf den Pixelsensor 14, so dass die Filterstruktur 12 und der Pixelsensor 14 derart in dem Halbleitersubstrat integriert sind, so dass der Pixelsensor 14 in einem Feldkonzentrationsbereich der Filterstruktur bzw. der Zonenplatten angeordnet ist, wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind.A method for producing an integrated sensor element 11 on a substrate according to exemplary embodiments comprises a step of generating a pixel sensor 14 on a substrate surface of the substrate and applying a filter structure 12 having at least one structured metal layer with zone plate structure 214 to the pixel sensor 14, such that the filter structure 12 and the pixel sensor 14 are integrated in the semiconductor substrate such that the pixel sensor 14 is disposed in a field concentration region of the filter structure (s), the generating and depositing being part of a CMOS process.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das Aufbringen der Filterstruktur 12 das Aufbringen wenigstens einer strukturierten Metallschicht, wobei die wenigstens eine strukturierte Metallschicht Mikrostrukturen in Form von Zonenplatten 214 aufweist, deren Abmessungen und Radien zwischen zwei be- nachbarten Zonen, eine Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge λres bzw. eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs in dem Brennpunktbereich erlauben.According to exemplary embodiments, the application of the filter structure 12 comprises the application of at least one structured metal layer, the at least one structured metal layer having microstructures in the form of zone plates 214 whose dimensions and radii between two adjacent zones, focusing the electromagnetic radiation of a predetermined wavelength λ res or a predetermined wavelength range in the focus area.
Ein Zwischenprodukt eines CMOS-Herstellungsprozesses eines integrierten Bauteils gemäß Ausführungsbeispielen wurde schematisch bereits anhand von Fig. 8 beschrieben.An intermediate product of a CMOS manufacturing process of an integrated component according to exemplary embodiments has already been described schematically with reference to FIG. 8.
In allen vier metallischen Schichten 134-1 bis 134-4 können beispielsweise laterale deckungsgeliche Zonenplattenstruk- turen gebildet werden. Alternativ kann die dem Pixelsensor 14 nächstgelegene Metallschicht 134-1 eine als Blende fungierende Öffnung aufweisen, wie sie im folgenden erläutert wird, in welchem Fall diese Öffnung, der Pixelsensor 14 o- der ein Ort dazwischen vertikal zentriert im Feldkonzentrationsbereich liegt.In all four metallic layers 134-1 to 134-4, for example, lateral registration zone plate structures can be formed. Alternatively, the metal layer 134-1 closest to the pixel sensor 14 may have an opening functioning as a diaphragm, as explained below in which case this aperture, the pixel sensor 14 or a location therebetween is vertically centered in the field concentration range.
Bei einem integrierten Sensorelement gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Metallschichten 134-1 bis 134-3 durch Dielektrika ersetzt sein, so dass lediglich die darüber liegende Schicht 134-4 die Zonenplattenstruktur bildet.In an integrated sensor element according to an alternative embodiment of the present invention, the metal layers 134-1 through 134-3 may be replaced by dielectrics such that only the overlying layer 134-4 forms the zone plate structure.
Die jeweils unterste Metallschicht wird in einem Abstand d von dem Pixelsensor 14 angeordnet, wobei der Abstand d zumindest näherungsweise die „Brennweite" einer fokussieren- den Zonenplatte in der/den darüber liegenden strukturierten Metallschicht (en) für eine bestimmte Wellenlänge angibt.The respective lowest metal layer is arranged at a distance d from the pixel sensor 14, the distance d indicating at least approximately the "focal length" of a focusing zone plate in the overlying structured metal layer (s) for a particular wavelength.
Zwischen dem Pixelsensor 14 und der strukturierten Metallschicht 134-1 befindet sich das Substrat 16 bzw. ein Dielektrikum in Form von beispielsweise wenigstens einer die- lektrischen Schicht.Between the pixel sensor 14 and the structured metal layer 134-1 is the substrate 16 or a dielectric in the form of, for example, at least one dielectric layer.
Die Metallschichten 134 werden nun gemäß Ausführungsbeispielen derart strukturiert, dass sie eine gute optische Filterwirkung mit gleichzeitig fokussierender Wirkung auf- weisen, ohne dass eine zusätzliche Farbfilterbeschichtung für das integrierte Bauteil nötig ist.The metal layers 134 are now patterned according to embodiments in such a way that they have a good optical filter effect with simultaneous focusing effect, without an additional color filter coating for the integrated component is necessary.
Fig. 15a zeigt eine schematische Seitenansicht eines in CMOS-Technik integrierten Sensorelements 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.FIG. 15 a shows a schematic side view of a CMOS-integrated sensor element 11 according to an embodiment of the present invention.
Das integrierte Sensorelement 11 weist eine strukturierte Metallschicht 134 mit Zonenplattenstruktur auf. Die Zonenplatte 214 der strukturierten Metallschicht 134 ist in transparente Zonen 234 und nicht transparente Zonen 236 aufgeteilt. Die transparenten Zonen 234 werden beispielsweise durch ein Dielektrikum 136 gebildet, welches zwischen der strukturierten Metallschicht 134 und dem Pixelsensor 14 angeordnet ist. Die Zonenplatte 214 der strukturierten Metallschicht 134 weist konzentrische Ringe auf, die aus den transparenten und nicht transparenten Zonen mit Sub-Lambda- Zonenbreite gebildet werden, und die einen gemeinsamen Mit- telpunkt aufweisen, durch den senkrecht zu der strukturierten Metallschicht 134 eine Rotationsachse 240 des integrierten Sensorelements 11 verläuft. Der Pixelsensor 14 ist in einem Abstand d von der strukturierten Metallschicht 134 angeordnet, so dass sich der Pixelsensor 14 in oder zumin- dest in der Nähe des Feldkonzentrationsbereichpunkts der Zonenplatte 214 der strukturierten Metallschicht 134 für eine vordefinierte Wellenlänge λres bzw. einen vordefinierten Wellenlängenbereich befindet. Die Metallschicht 134 kann aus bei CMOS-Prozesses verwendeten Metallen, wie z.B. Aluminium, bestehen. Die dielektrische Schicht 136 kann beispielsweise Siliziumdioxid (SiO) aufweisen.The integrated sensor element 11 has a structured metal layer 134 with a zone plate structure. The zone plate 214 of the patterned metal layer 134 is divided into transparent zones 234 and non-transparent zones 236. The transparent zones 234 are formed, for example, by a dielectric 136 which lies between the structured metal layer 134 and the pixel sensor 14 is arranged. The zone plate 214 of the patterned metal layer 134 has concentric rings formed of the transparent and non-transparent zones of sub-lambda zone width and having a common center through which, perpendicular to the patterned metal layer 134, an axis of rotation 240 of FIG integrated sensor element 11 extends. The pixel sensor 14 is arranged at a distance d from the patterned metal layer 134 so that the pixel sensor is located in, or at the zone plate 214 of the patterned metal layer 134 least λ res for a predefined wavelength or a predetermined wavelength range in the vicinity of the field concentration range point 14 , The metal layer 134 may be made of metals used in the CMOS process, such as aluminum. The dielectric layer 136 may include, for example, silicon dioxide (SiO Σ ).
Fig. 15b zeigt schematisch eine Seitenansicht eines integrierten Sensorelements 11 gemäß einem weiteren Ausführungs- beispiel der vorliegenden Erfindung.FIG. 15b schematically shows a side view of an integrated sensor element 11 according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Das integrierte Sensorelement 11 weist in Nähe des Pixelsensors 14 eine weitere Metallschicht 252 mit einer Öffnung 254 auf. Dabei kann die Öffnung gemäß Ausführungsformen kreisförmig ausgestaltet sein. Durch diese zusätzliche Metallschicht 252 kann die spektrale Trennung des in Fig. 15a gezeigten integrierten Sensorelements nochmals verbessert werden. Dabei ist zu bemerken, dass die zusätzliche Metallschicht 252 mit der Öffnung 254 nicht zwingend erforderlich ist, wobei die Schicht 252 beispielsweise die zum Pixelsensor nächstgelegene oder beabstandete Metallschicht ist.The integrated sensor element 11 has, in the vicinity of the pixel sensor 14, a further metal layer 252 with an opening 254. In this case, the opening according to embodiments can be configured circular. By means of this additional metal layer 252, the spectral separation of the integrated sensor element shown in FIG. 15a can be further improved. It should be noted that the additional metal layer 252 with the opening 254 is not absolutely necessary, wherein the layer 252 is, for example, the metal layer nearest or spaced from the pixel sensor.
Der Abstand d zwischen dem Pixelsensor 14 und der obersten Metallschicht des integrierten Sensorelements liegt in ei- ner Größenordnung der gewünschten Resonanzwellenlänge λres- Für den optischen Spektralbereich und einen 0,18 μm CMOS- Prozess, liegt der Abstand d im Bereich von ca. 2 μm. Die Zonenplatte 214 der strukturierten Metallschicht wird also vorzugsweise mit sehr kurzer Brennweite realisiert. Mit modernen CMOS-Prozessen kann man aber sehr feine Zonen und damit sehr kurze Brennweiten erreichen, so dass der Pixelsensor 14 im Feldkonzentrationsbereich der Zonenplatte 214 platziert werden kann.The distance d between the pixel sensor 14 and the uppermost metal layer of the integrated sensor element lies in an order of magnitude of the desired resonant wavelength λ res . For the optical spectral range and a 0.18 μm CMOS process, the distance d is in the range of approximately 2 microns. The zone plate 214 of the patterned metal layer thus becomes preferably realized with a very short focal length. With modern CMOS processes, however, one can achieve very fine zones and thus very short focal lengths, so that the pixel sensor 14 can be placed in the field concentration region of the zone plate 214.
Die Radien für jede Zone in der oberen Metallschicht und der Durchmesser der Öffnung 254 der unteren Metallschicht 252 werden vorzugsweise so gewählt, dass sich bis zum Be- ginn des Pixelsensors 14 nur eine bestimmte Wellenlänge, d.h. die Resonanzwellenlänge λres bzw. ein bestimmter Wellenlängenbereich ausbreiten kann.The radii for each zone in the upper metal layer and the diameter of the opening 254 of the lower metal layer 252 are preferably selected such that only a specific wavelength, ie the resonance wavelength λ res or a specific wavelength range propagate until the beginning of the pixel sensor 14 can.
Fig. 16 zeigt ein Beispiel für eine Sub-Lambda-Zonenplatte 214, welche lediglich exemplarisch drei transparente Kreisringe, nämlich erster, zweiter und dritter Ordnung von innen aus gezählt, und vier nicht transparente Kreisringe aus Metall umfasst. Zonenplatten weisen in der Praxis meist 20 oder mehr Zonen auf. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur die ersten drei Zonen dargestellt.16 shows an example of a sub-lambda zone plate 214, which merely exemplarily comprises three transparent circular rings, namely first, second and third order from the inside, and four non-transparent metal circular rings. Zone plates usually have 20 or more zones in practice. For the sake of clarity, only the first three zones are shown here.
Die Zonenplatte 214 der Metallschicht 134 besitzt eine fo- kussierende Wirkung. Bei entsprechendem Verhältnis der Radien der transparenten Zonen 234 und der nicht transparen- ten Zonen 236 in einem bestimmten Abstand von der Zonenplatte 214 entsteht für eine bestimmte Wellenlänge eine Konzentration der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung ähnlich einem Brennpunkt. Eine an oder zumindest in der Nähe dieser Stelle platzierte Photodiode kann nun von der geöffneten Metallschicht 252, so abgedeckt werden, dass nur die elektromagnetische Strahlung bzw. das Licht der gewünschten Wellenlänge zumindest näherungsweise verlustfrei auf die Photodiode 14 trifft, während andere Wellenlängen ausgefiltert werden. Durch die Metallschicht 252 mit der Öffnung 254 wird die spektrale Trennung deutlich verbessert. In dem Fall der exemplarisch dargestellten Sub-Lambda- Zonenplatte nimmt die Zonenbreite der transparenten Zonen 234 mit zunehmender Ordnungszahl bzw. mit zunehmendem Abstand vom Zentrum ab. Gleiches gilt innerhalb der nicht- transparenten Zonen dazwischen. Zusätzlich ist nach dem Beispiel von Fig. 16 die Zonenbreite zumindest einer der transparenten Zonen 234 kleiner als die gewünschte Durchlasswellenlänge, wie z.B. 2 μm oder 1,2 μm, wie z.B. die 2. bis zur letzten Ordnung.The zone plate 214 of the metal layer 134 has a foaming effect. With a corresponding ratio of the radii of the transparent zones 234 and the non-transparent zones 236 at a certain distance from the zone plate 214, a concentration of the incident electromagnetic radiation similar to a focal point arises for a certain wavelength. A photodiode placed at or at least near this point can now be covered by the opened metal layer 252 such that only the electromagnetic radiation or the light of the desired wavelength strikes the photodiode 14 at least approximately loss-free, while other wavelengths are filtered out. The metal layer 252 with the opening 254 significantly improves the spectral separation. In the case of the exemplified sub-lambda zone plate, the zone width of the transparent zones 234 decreases with increasing ordinal number or with increasing distance from the center. The same applies within the non-transparent zones in between. In addition, according to the example of FIG. 16, the zone width of at least one of the transparent zones 234 is smaller than the desired pass wavelength, such as 2 μm or 1.2 μm, such as the 2nd to the last order.
Der für die Durchlasswellenlänge aus der Zonenplatte 214 resultierende Feldkonzentrationsbereich kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise bis 20 μm von der Zonenplatte entfernt sein. Dabei befindet sich in diesem Bereich bei kol- limierter Beleuchtung mit der Durchlasswellenlänge beispielsweise 90% der transmittierten Leistung, die beispielsweise 50% der ankommenden Leistung oder weniger entspricht, und dieser Bereich hat beispielsweise eine laterale Ausdehnung, die beispielsweise weniger als ein Halb ei- ner lateralen Ausdehnung der Zonenplatte - gemessen am äußersten Rand der transparenten Zone höchster Ordnung - aufweist .As already mentioned, the field concentration range resulting from the zone plate 214 for the transmission wavelength can, for example, be up to 20 μm away from the zone plate. In the case of collimated illumination with the transmission wavelength, in this region, for example, 90% of the transmitted power, which corresponds to 50% of the incoming power or less, for example, has a lateral extent which is, for example, less than a half lateral extent of the zone plate measured at the outermost edge of the highest order transparent zone.
Fig. 17 zeigt ein erläuterndes Beispiel für drei Feldver- teilungen 260, 262, 264 für drei unterschiedliche Wellenlängen in der Nähe des Pixelsensors 14.FIG. 17 shows an illustrative example of three field distributions 260, 262, 264 for three different wavelengths in the vicinity of the pixel sensor 14.
Aus Fig. 17 lässt sich erkennen, dass die elektromagnetische Feldkonzentration 260 für eine Resonanzwellenlänge λres in der Nähe des entsprechenden Feldkonzentrationsbereichs der Zonenplatte 214 am höchsten ist. Das bedeutet, dass für die Resonanzwellenlänge λres die ganze elektromagnetische Energie bzw. ein Großteil davon von dem Pixelsensor 14, insbesondere einer Photodiode, detektiert werden kann, wäh- rend für andere Wellenlängen die entsprechenden elektromagnetischen Feldkonzentrationen 262, 264 geringer sind, d.h. nur ein kleiner Anteil der jeweiligen elektromagnetischen Strahlung eine PN-Übergang der Photodiode 14 erreicht. Ob- wohl die mit der Öffnung versehene Metallplatte 252 die spektrale Selektivität zusätzlich erhöht, gilt das im Vorhergehenden beschriebene gleichermaßen für Ausführungsformen ohne die Metallschicht 252. Durch die erhöhte spektrale Selektivität bei der Kombination aus Zonenplatte 214 und einer direkt vor der Photodiode 14 liegenden Öffnung 254 der Metallschicht 252 wird darin eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu sehen sein.From FIG. 17, it can be seen that the electromagnetic field concentration 260 is highest for a resonance wavelength λ res in the vicinity of the corresponding field concentration range of the zone plate 214. This means that for the resonant wavelength λ res the entire electromagnetic energy or a large part thereof can be detected by the pixel sensor 14, in particular a photodiode, while for other wavelengths the corresponding electromagnetic field concentrations 262, 264 are smaller, ie only one small proportion of the respective electromagnetic radiation reaches a PN junction of the photodiode 14. If- Although the metal plate 252 provided with the opening additionally increases the spectral selectivity, the above applies equally to embodiments without the metal layer 252. Due to the increased spectral selectivity in the combination of zone plate 214 and an opening 254 of the metal layer lying directly in front of the photodiode 14 252 will be seen therein a preferred embodiment of the present invention.
Eine weitere Ausführungsform eines integrierten Sensorelements für einen erfindungsgemäßen multispektralen Bildsensor ist in Fig. 18 gezeigt.A further embodiment of an integrated sensor element for a multispectral image sensor according to the invention is shown in FIG.
Fig. 18 zeigt ein integriertes Sensorelement 270, welches in einem Abstand a von der Zonenplatte 214 der strukturierten Metallschicht 134 eine zweite um 1 lateral versetzte Zonenplatte in einer zweiten strukturierten Metallschicht 272 aufweist.FIG. 18 shows an integrated sensor element 270, which has a second zone plate 1 laterally offset in a second structured metal layer 272 at a distance a from the zone plate 214 of the structured metal layer 134.
Die Funktion der in Fig. 18 gezeigten Struktur ist ähnlich zu der anhand der Fig. 15b und 17 beschriebenen Strukturen. Die strukturierten Metallschichten 134 und 272 mit Zonen- plattenstruktur weisen einen lateralen Versatz um den Abstand 1 auf, um eine bessere spektrale Trennung erzielen zu können. Dabei liegt der laterale Versatz 1 zwischen den Zo- nenplattenstrukturen der verschiedenen Metallschichten in einer Größenordnung von 2 mal der gewünschten Wellenlänge λres bzw. des gewünschten Wellenlängenbereichs.The function of the structure shown in FIG. 18 is similar to the structures described with reference to FIGS. 15b and 17. The structured metal layers 134 and 272 with zonal plate structure have a lateral offset by the distance 1 in order to be able to achieve a better spectral separation. In this case, the lateral offset 1 between the zone plate structures of the different metal layers is on the order of 2 times the desired wavelength λ res or the desired wavelength range.
Eine weitere Möglichkeit zur spektralen Trennung besteht darin, das Verhältnis der Radien der Zonen der Schichten 134 und 272 leicht unterschiedlich zu wählen. In diesem Fall hat die Metallschicht 134 eine beugende und fokussie- rende Wirkung und die Metallschicht 272 eine zusätzlich filternde Wirkung, die nur die gewünschte Resonanzwellenlänge λres hindurchlässt . Ferner ist eine Kombination obiger Möglichkeiten möglich, nämlich der laterale Versatz der vertikal beabstandeten Zonenplattenstrukturen bei gleichzeitiger Veränderung ihrer Zonenradien.Another way of spectral separation is to slightly differentiate the ratio of the radii of the zones of layers 134 and 272. In this case, the metal layer 134 has a diffractive and focusing effect, and the metal layer 272 has an additional filtering effect, which allows only the desired resonant wavelength λ res to pass. Furthermore, a combination of the above possibilities is possible, namely the lateral offset of vertically spaced zone plate structures while changing their zone radii.
Nachdem im Vorhergehenden Aufbau und Funktionsweise von in- tegrierten Sensorelementen gemäß Ausführungsbeispielen eingehend beschrieben wurden, soll im Nachfolgenden noch auf integrierte multispektrale Bildsensoren auf Basis der integrierten Sensorelemente mit Zonenplattenstrukturen eingegangen werden.After detailed descriptions have been given in the preceding structure and mode of operation of integrated sensor elements according to exemplary embodiments, the following will also discuss integrated multispectral image sensors on the basis of the integrated sensor elements with zone plate structures.
Fig. 19 zeigt dazu eine schematische Seitenansicht eines integrierten multispektralen Bildsensors bzw. Spektrometers 280 auf CMOS-Basis, welcher eine Mehrzahl von gemeinsamen auf einem Substrat integrierten Sensorelementen 11 auf- weist.19 shows a schematic side view of an integrated multispectral image sensor or spectrometer 280 based on CMOS, which has a plurality of common sensor elements 11 integrated on a substrate.
In Fig. 19 sind lediglich exemplarisch drei planar benachbart integrierte Sensorelemente 11 dargestellt, wobei jedes der drei Sensorelemente auf einen unterschiedlichen Wellen- längenbereich bzw. eine unterschiedliche Resonanzwellenlänge λres abgestimmt ist. Beispielsweise könnte das linke Sensorelement 11-1 auf eine Wellenlänge aus einem ersten Spektralbereich, das mittlere Sensorelement 11-2 auf eine Wellenlänge aus einem zweiten Spektralbereich und das rech- te Sensorelement 11-3 auf eine Wellenlänge aus einem dritten Spektralbereich eingestellt sein. Das Zonenplattenarray 214-1, 214-2, 214-3 der strukturierten Metallschicht 134 ist hier auf die jeweiligen Spektralbereiche bzw. Wellenlängen abgestimmt. Dasselbe gilt ebenfalls für die öffnun- gen 254-1, 254-2, 254-3.In FIG. 19, by way of example only, three sensor elements 11 that are integrated adjacent to one another are shown, each of the three sensor elements being tuned to a different wavelength range or a different resonant wavelength λ res . For example, the left sensor element 11-1 could be set to a wavelength from a first spectral range, the middle sensor element 11-2 to a wavelength from a second spectral range and the right sensor element 11-3 to a wavelength from a third spectral range. The zone plate array 214-1, 214-2, 214-3 of the structured metal layer 134 is here tuned to the respective spectral ranges or wavelengths. The same applies to the openings 254-1, 254-2, 254-3.
Wie es im Vorhergehenden bereits erläutert wurde, kann ein Sensorelement beispielsweise durch Adaption der jeweiligen Zonenplatte bzw. der Radien der unterschiedlichen Zonen auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz λres eingestellt werden. In dem in Fig. 19 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen somit die Strukturen der Zonenplatten 214-1, 214-2 und 214-3 der benachbarten Sensorelemente unterschiedliche Radien der transparenten und nicht transparenten Ringe auf. Des Weiteren könnten die Abstände und Abmessungen der Lochöffnungen 254-1, 254-2 und 254-3 variieren. Die Metallschicht 252 mit den Lochöffnungen 254-1, 254-2, 254-3 kann bei einem Farb- sensor also in unterschiedlichen Ebenen entsprechend den Abständen der Lochöffnungen 254-1, 254-2 und 254-3 zu den Zonenplatten 214-1, 214-2 und 214-3 verlaufen.As has already been explained above, a sensor element can be adjusted to a predetermined resonant frequency λ res , for example by adapting the respective zone plate or the radii of the different zones. In the exemplary embodiment shown in FIG. 19, the structures of the zone plates 214 - 1, 214 - 2 and 214 - 3 of the adjacent sensor elements thus have different radii transparent and not transparent rings. Furthermore, the spacings and dimensions of the hole openings 254-1, 254-2 and 254-3 could vary. The metal layer 252 with the hole openings 254-1, 254-2, 254-3 can in a color sensor thus in different planes corresponding to the distances of the hole openings 254-1, 254-2 and 254-3 to the zone plates 214-1, 214-2 and 214-3.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel könnten die Me- tallschicht 252 auch weggelassen werden, wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde.According to a further embodiment, the metal layer 252 could also be omitted, as already described above.
An dieser Stelle soll noch auf den Fall eingegangen werden, dass der Pixelsensor 14 von seinen Abmessungen her größer ist als eine einzelne Zonenplatte 214. In diesem Fall sind die Metallschichten array-förmig strukturiert, wie es in der schematischen Draufsicht in Fig. 20a gezeigt ist.At this point, the case will be considered that the pixel sensor 14 is larger in size than a single zone plate 214. In this case, the metal layers are array-shaped, as shown in the schematic plan view in Fig. 20a ,
Fig. 20a zeigt die Draufsicht auf eine array-förmig struk- turierte Metallschicht 134, welche 2x3 identische Zonen- plattenstrukturen 214 aufweist. Ein unter der strukturierten Metallschicht 134 liegender Pixelsensor 14 ist dabei größer als ein einzelnes Mikroelement (mit einer Zonenplatte) der Struktur und wird von der Metallschicht bzw. der Gesamtstruktur vollständig abgedeckt. D.h., um einen Pixelsensor 14 vollständig abzudecken, kann ein integriertes Sensorelement gemäß Ausführungsbeispielen auch eine Mehrzahl von identischen Zonenplattenstrukturen 214 aufweisen.FIG. 20 a shows the plan view of an array-shaped metal layer 134 which has 2 × 3 identical zone plate structures 214. A pixel sensor 14 below the structured metal layer 134 is larger than a single microelement (with a zone plate) of the structure and is completely covered by the metal layer or the entire structure. That is, to fully cover a pixel sensor 14, an integrated sensor element according to embodiments may also include a plurality of identical zone plate structures 214.
Fig. 20b zeigt den Querschnitt bzw. die Seitenansicht A-A des in Fig. 20a in Draufsicht gezeigten Sensorelements. In diesem Beispiel wird die Filterfunktion erfüllt durch eine Kombination aus den Zonenplatten 214 und den Öffnungen 254, die im Vorhergehenden bereits beschrieben wurden. Die ein- zelnen Zonenplatten 214 des Zonenplattenarrays der oberen Metallschicht 134 sind dabei genau zentriert bezüglich der Öffnungen 254 der unteren Metallschicht 252, was durch die Symmetrieachsen 240 in Fig. 20b angedeutet ist. Wie im Vor- hergehenden bereits beschrieben wurde, könnte statt der in Fig. 20b gezeigten Öffnungen 254 die zweite strukturierte Metallschicht 284 auch einen um 1 lateral versetzten zweiten Zonenplattenarray aufweisen.FIG. 20b shows the cross section and the side view AA of the sensor element shown in plan view in FIG. 20a. In this example, the filtering function is accomplished by a combination of zone plates 214 and apertures 254 previously described. The individual zone plates 214 of the zone plate array of the upper metal layer 134 are exactly centered with respect to the openings 254 of the lower metal layer 252, which is indicated by the symmetry axes 240 in FIG. 20b. As in the previous As has already been described, instead of the openings 254 shown in FIG. 20b, the second structured metal layer 284 could also have a second zone plate array offset by 1 laterally.
Nachdem im Vorhergehenden detailliert auf Sensorelemente mit Zonenplattenstrukturen eingegangen wurde, werden im Nachfolgenden Ausführungsbeispiele von Sensorelementen eines erfindungsgemäßen multispektralen Bildsensors mit Me- tallschichtstrukturen beschrieben, die den Plasmon- Polariton-Resonanz-Effekt erlauben .After discussing sensor elements with zone plate structures in detail above, embodiments of sensor elements of a multispectral image sensor according to the invention having metal layer structures which permit the plasmon-polariton resonance effect are described below.
Dazu zeigt Fig. 21 ein integriertes Sensorelement 11 für elektromagnetische Strahlung 118 mit einem Pixelsensor 14 und einer strukturierten Metallschicht 134, wobei zur Verdeutlichung des Aufbaus des integrierten Sensorelements 11 ein Ausschnitt besonders hervorgehoben ist.For this purpose, FIG. 21 shows an integrated sensor element 11 for electromagnetic radiation 118 with a pixel sensor 14 and a structured metal layer 134, a section being particularly emphasized in order to clarify the structure of the integrated sensor element 11.
Die Metallschicht 134 ist strukturiert, um ansprechend auf elektromagnetische Strahlung 118 eines vorbestimmten Durchlasswellenlängenbereichs bzw. einer vorbestimmten Resonanzwellenlänge λres einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu ermöglichen. Der Pixelsensor 14 und die strukturierte Metallschicht 134 sind gemäß Ausführungsbeispielen gemeinsam auf einem Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat, integriert, so dass sich aufgrund des Plasmon-Polariton- Resonanz-Effekts für den Durchlasswellenlängenbereich eine höhere Transmission durch die Metallschicht 134 zu dem Pixelsensor 14 ergibt als für den Durchlasswellenlängenbe- reich umgebende Wellenlängen.The metal layer 134 is patterned to enable a plasmon-polariton resonance effect in response to electromagnetic radiation 118 of a predetermined pass-wavelength region or a predetermined resonant wavelength λ res . According to embodiments, the pixel sensor 14 and the structured metal layer 134 are integrated together on a substrate, in particular a semiconductor substrate, so that a higher transmission through the metal layer 134 to the pixel sensor 14 results due to the plasmon-polariton resonance effect for the transmission wavelength range wavelengths surrounding the transmission wavelength range.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist die Metallschicht 134 eine Öffnung 318 mit Subwellenlängenabmessung auf. Damit die auftreffende elektromagnetische Strahlung 118 Oberflä- chenplasmonen bewirken kann, ist die Subwellenlängenöffnung 318 gemäß Ausführungsbeispielen von rotationssymmetrischen periodisch angeordneten Rillen 320 um die Öffnung umgeben. Bei geeigneter Dimensionierung der Öffnung 318 und der RiI- len 320 kann eine resonante Interaktion von der elektromagnetischen Strahlung und den Oberflächenplasmonen der strukturierten Metallschicht 134 zu der im Vorhergehenden bereits erwähnten verstärkten außergewöhlichen Übertragung in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich führen.According to embodiments, the metal layer 134 has a sub-wavelength dimension opening 318. In order for the impinging electromagnetic radiation 118 to cause surface plasmons, the sub-wavelength aperture 318 is surrounded around the aperture by rotationally symmetric periodically arranged grooves 320 according to embodiments. With suitable dimensioning of the opening 318 and the RiI- The resonator 320 may cause a resonant interaction of the electromagnetic radiation and the surface plasmons of the patterned metal layer 134 to the previously mentioned enhanced extraordinary transmission in the predetermined wavelength range.
Wenn die elektromagnetische Strahlung 118 auf die erste, dem Pixelsensor 14 abgewandte Seite der strukturierten Metallschicht 134 trifft, breitet sich ausgehend von der Sub- wellenlängenöffnung 318 jenseits der zweiten, dem Pixelsensor 14 zugewandten Seite der strukturierten Metallschicht 134 gerichtete elektromagnetische Strahlung des vorbestimmten Wellenlängenbereichs bzw. der Resonanzwellenlänge λres aus.When the electromagnetic radiation 118 strikes the first side of the structured metal layer 134 facing away from the pixel sensor 14, electromagnetic radiation of the predetermined wavelength range directed from the sub-wavelength opening 318 beyond the second side of the structured metal layer 134 facing the pixel sensor 14 propagates. the resonance wavelength λ res out.
An dieser Stelle soll bemerkt sein, dass es sich bei dem in Fig. 21 schematisch dargestellten integrierten Sensorelement 11 lediglich um ein Element einer größeren Sensorstruktur mit einer Mehrzahl von integrierten Sensorelemen- ten handeln kann, wie es später noch anhand von Fig. 31 beschrieben wird.It should be noted at this point that the integrated sensor element 11 shown schematically in FIG. 21 can only be an element of a larger sensor structure having a plurality of integrated sensor elements, as will be described later on with reference to FIG. 31 ,
Des Weiteren sind auch nicht rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen der Metallschicht 134 denkbar, welche den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt hervorrufen können, wie beispielsweise eine schlitzförmige Öffnung mit parallel dazu angeordneten Rillen oder eine matrixähnliche Anordnung von Subwellenlängenöffnungen, wie es in Fig. 30 gezeigt ist .Furthermore, non-rotationally symmetric surface structures of the metal layer 134 are also conceivable, which can cause the plasmon-polariton resonance effect, such as a slot-shaped opening with grooves arranged parallel thereto or a matrix-like arrangement of sub-wavelength openings, as shown in FIG.
Integrierte Sensoren bzw. Sensorelemente für elektromagnetische Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie beispielsweise einem CMOS-Opto- Prozess, realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.Integrated sensors or sensor elements for electromagnetic radiation according to embodiments can be realized with CMOS processes, such as a CMOS opto process, without additional process steps or further processing is required.
Ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Sensorelements auf einem Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispie- len einen Schritt des Erzeugens einer Photodiode an einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen einer Metallschicht, die strukturiert ist, um ansprechend auf e- lektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlän- genbereichs einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu ermöglichen, wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind. Dabei sind Photodiode und die Metallschicht so gemeinsam auf dem Halbleitersubstrat integriert, dass sich aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz- Effekts an der Photodiode eine elektromagnetische Feldkonzentration ausbilden kann, für die die Photodiode empfindlich ist.A method for producing an integrated sensor element on a substrate comprises according to embodiments a step of generating a photodiode on a substrate surface of the substrate and depositing a metal layer which is patterned to allow a plasmon-polariton resonance effect in response to electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range, the generating and the Applying parts of a CMOS process are. In this case, the photodiode and the metal layer are integrated together on the semiconductor substrate, that due to the plasmon-polariton resonance effect on the photodiode an electromagnetic field concentration can form, for which the photodiode is sensitive.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das Aufbringen der Me- tallschicht eine Strukturierung der Metallschicht mit einer Öffnung 318 mit einer Subwellenlängenabmessung, wobei die Öffnung von rotationssymmetrischen periodisch angeordneten Rillen um die Öffnung 318 umgeben ist. Dabei weisen die Rillen um die Öffnung Abmessungen und Abstände auf, die ge- eignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der strukturierten Metallschicht 134 den Plasmon- Polariton-Resonanz-Effekt zu erzeugen.According to exemplary embodiments, the application of the metal layer comprises a structuring of the metal layer with an opening 318 with a sub-wavelength dimension, wherein the opening is surrounded by rotationally symmetrical periodically arranged grooves around the opening 318. In this case, the grooves around the opening have dimensions and spacings which are suitable for producing the plasmon-polariton resonance effect for the predetermined wavelength range in the structured metal layer 134.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Auf- bringen der Metallschicht eine Strukturierung einer schlitzförmigen Öffnung in der Metallschicht, welche eine Breite kleiner als eine Wellenlänge (Resonanzwellenlänge λres) des vorbestimmten Wellenlängenbereichs aufweist, und eine Strukturierung von zumindest näherungsweise parallel zu der schlitzförmigen Öffnung verlaufenden Rillen in der Metallschicht 134, wobei die Abmessungen der Rillen geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der strukturierten Metallschicht den Plasmon-Polariton- Resonanz-Effekt zu bewirken.According to a further embodiment, the application of the metal layer comprises a structuring of a slot-shaped opening in the metal layer, which has a width smaller than a wavelength (resonance wavelength λ res ) of the predetermined wavelength range, and a structuring of at least approximately parallel to the slot-shaped opening grooves in the metal layer 134, wherein the dimensions of the grooves are suitable for effecting the plasmon-polariton resonance effect for the predetermined wavelength range in the patterned metal layer.
Eine Strukturierung der Metallschicht mit in einem Gitternetz aus matrixförmig angeordneten Subwellenlängenöffnungen 318 ist ebenfalls denkbar, so wie es schematisch in Fig. 30 gezeigt ist. Dabei ist zu bemerken, dass eine Form der Sub- wellenlängenöffnungen generell beliebig gewählt werden kann.A structuring of the metal layer with sub-wavelength openings 318 arranged in matrix form in a lattice network is likewise conceivable, as shown schematically in FIG. 30 is shown. It should be noted that a shape of the sub-wavelength openings can generally be chosen arbitrarily.
Ein Zwischenprodukt eines CMOS-Herstellungsprozesses eines integrierten Sensorelemets gemäß Ausführungsbeispielen wurde schematisch anhand von Fig. 8 beschrieben.An intermediate product of a CMOS manufacturing process of an integrated sensor element according to embodiments has been described schematically with reference to FIG.
Eine lichtempfindliche Oberfläche der Photodiode 14 weist -einen Abstand d von der der Photodiode am nächstliegenden Metallschicht 134-1 auf, wobei der Abstand d im Wesentlichen durch den Herstellungsprozess bestimmt wird und kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm ist. Bei 0,18 μm- CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen der Photodiode 14 und der Metallschicht 134-1 kleiner als 2 μm.A photosensitive surface of the photodiode 14 has a distance d from that of the photodiode to the closest metal layer 134-1, the distance d being determined essentially by the manufacturing process and being less than 20 μm and preferably less than 8 μm. For 0.18 μm CMOS processes, the distance between the photodiode 14 and the metal layer 134-1 is less than 2 μm.
Bei integrierten Sensorelementen mit einer strukturierten Metallschicht gemäß Ausführungsbeispielen wird also lediglich die unterste, dem Pixelsensor 14 bzw. der Photodiode am nächsten liegende Metallschicht 134-1 verbleiben. Die darüber liegenden Schichten werden erst gar nicht aufgebracht oder zur Herstellung des integrierten Sensors nach ihrer Aufbringung wieder abgetragen. Die Metallschicht 134- 1 kann beispielsweise durch Ätzen strukturiert werden.In the case of integrated sensor elements with a structured metal layer according to exemplary embodiments, therefore, only the lowermost metal layer 134-1 closest to the pixel sensor 14 or the photodiode will remain. The overlying layers are not even applied or removed again for the production of the integrated sensor after its application. The metal layer 134-1 can be patterned by etching, for example.
Eine gemäß einem Ausführungsbeispiel strukturierte Metallschicht mit darunter liegender Photodiode ist schematisch in einer Seiten- bzw. Schnittansicht in Fig. 22 gezeigt.A structured according to an embodiment metal layer with underlying photodiode is shown schematically in a side or sectional view in Fig. 22.
Die in Fig. 22 dargestellte strukturierte Metallschicht 134-1 ist von einem Dielektrikum 136 umgeben und weist beispielhaft zwei Strukturelemente 340 auf, die durch die geschweiften Klammern in Fig. 22 gekennzeichnet sind. Ein Strukturelement 340 weist jeweils eine Subwellenlängenöff- nung 318 auf, welche beispielsweise kreisförmig oder Ii- nienförmig ausgebildet sein kann. Bei einer kreisförmigen bzw. rotationssymmetrischen Subwellenlängenöffnung 318 sind die die Öffnung 18 umgebenden Rillen aus Vertiefungen 342 und Erhöhungen 344 ebenfalls rotationssyπunetrisch angeordnet. Bei einer linienförmigen bzw. schlitzförmigen Subwel- lenlängenöffnung 318 sind die Vertiefungen 342 und Erhöhungen 344 parallel zu der linienförmigen Erhöhung 318 ange- ordnet.The structured metal layer 134-1 illustrated in FIG. 22 is surrounded by a dielectric 136 and has by way of example two structural elements 340, which are identified by the curly brackets in FIG. A structural element 340 in each case has a sub-wavelength opening 318, which may, for example, be circular or linear. In a circular or rotationally symmetrical sub-wavelength opening 318, the grooves surrounding the opening 18 are recesses 342 and elevations 344 also rotationalssyπunetrisch arranged. In the case of a linear or slot-shaped sub-wavelength opening 318, the depressions 342 and elevations 344 are arranged parallel to the linear elevation 318.
Durch die Subwellenlängenöffnungen 318 kann durch den Plas- mon-Polariton-Resonanz-Effekt Licht einer vordefinierten Wellenlänge λres selektiert werden und dann auf den Pixel- sensor 14 treffen .As a result of the sub-wavelength openings 318, light of a predefined wavelength λ res can be selected by the plasma-polariton resonance effect and then hit the pixel sensor 14.
Fig. 23 zeigt ein Einzelelement bzw. ein Strukturelement 340 der in Fig. 22 dargestellten arrayförmigen Struktur in der Metallschicht 134-1.FIG. 23 shows a single element or a structural element 340 of the array-shaped structure shown in FIG. 22 in the metal layer 134-1.
Das in Fig. 23 gezeigte Strukturelement 340 kann rotations- symmetrisch bezüglich der Subwellenlängenöffnung 318 in der Mitte sein, so wie es zur besseren Veranschaulichung in der Perspektivansicht in Fig. 24 gezeigt ist. Bei anderen Aus- führungsformen kann das Strukturelement 340 eine streifenförmige oder linienartige Struktur aufweisen, sowie es zur besseren Veranschaulichung in der Perspektivansicht in Fig. 25 gezeigt ist. Eine Draufsicht des in Fig. 25 dargestellten Strukturelements 340 mit streifenförmiger oder linien- artiger Öffnung 318 und Struktur ist zudem in Fig. 29 gezeigt.The structural element 340 shown in FIG. 23 may be rotationally symmetric with respect to the sub-wavelength opening 318 in the center, as shown in the perspective view in FIG. 24 for better illustration. In other embodiments, the structural member 340 may have a stripe-like or line-like structure as shown in FIG. 25 for better illustration. A top view of the structure element 340 with strip-shaped or line-like opening 318 and structure shown in FIG. 25 is also shown in FIG. 29.
Ein Strukturelement 340 gemäß Ausführungsbeispielen umfasst einen Bereich der Metallschicht 134-1, der eine mit Vertie- fungen 342 und Erhöhungen 344 periodisch strukturierte O- berfläche der Periode A und eine Subwellenlängenöffnung 318 aufweist, die im Zentrum der Struktur 340 liegt. Für eine vorbestimmte Resonanz-Wellenlänge-λres einer auf die Struk¬ tur 340 einfallenden elektromagnetischen Strahlung 118 ent- steht der Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt . Dieser Effekt bewirkt, dass für die Resonanzwellenlänge λres durch die Subwellenlängenöffnung 318, beispielsweise mehr als 15% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung tritt, obwohl ein Flächenverhältnis der Öffnung 318 zu der Fläche des gesamten Elements 340 sehr klein ist. Für andere Wellenlängen als die Resonanzwellenlänge λres entsteht dagegen keine Resonanz und damit nahezu keine Transmission von elektromag- netischer Strahlung der anderen Wellenlängen durch die Öffnung 318. Das bedeutet, dass die Transmission für eine vorbestimmte Wellenlänge λres durch das Strukturelement 340 vom Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 318 zu der Fläche des gesamten Elements 340 abhängt, sowie von der Periode A der strukturierten Oberfläche bzw. der Erhöhungen 344 und Vertiefungen 342.A structural element 340 according to exemplary embodiments comprises a region of the metal layer 134-1, which has a periodically structured upper area of the period A with indentations 342 and elevations 344 and a sub-wavelength opening 318 which lies in the center of the structure 340. For a predetermined resonance wavelength λ s re of 118 corresponds to the structural ¬ tur 340 incident electromagnetic radiation is of the plasmon-polariton resonance effect. This effect causes for the resonance wavelength λ res through the sub-wavelength opening 318, for example, more than 15% of the incident electromagnetic radiation, although an area ratio of the opening 318 to the area of the entire member 340 is very small. For other wavelengths than the resonance wavelength λ res , on the other hand, there is no resonance and thus almost no transmission of electromagnetic radiation of the other wavelengths through the opening 318. This means that the transmission for a predetermined wavelength λ res through the structural element 340 is dependent on the area ratio of the area the opening 318 depends on the area of the entire element 340, as well as the period A of the structured surface or the elevations 344 and recesses 342.
Diejenige Periode A, die die höchste Transmission zulässt, hängt unter anderem von der Dicke (t+h) der strukturierten Metallschicht 134-1 ab. Für eine Resonanzwellenlänge λres von 650 nm könnte die Breite bzw. der Durchmesser b der Öffnung 318 beispielsweise zu 110 nm gewählt werden, das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 318 zu der Fläche des gesamten Elements 340 könntebeispielsweise 0.01 betra- gen und A könnte zu 90 nm und t zu 20 nm gewählt werden. An dieser Stelle soll betont werden, dass diese Werte lediglich Beispielswerte darstellen, um eine Vorstellung von möglichen Größenordnungen zu geben. Gemäß Ausführungsbeispielen liegt A in einem Bereich von 10 nm bis 2110 nm. Die Dicke (t+h) der Metallschicht 134-1 liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich von 30 nm bis 2500 nm, bevorzugt in einem Bereich von 350 nm bis 550 nm. Die Höhe h der Vertiefung ist natürlich kleiner als die Dicke (t+h) der Metallschicht A134-l und liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich überhalb von (t+h) /2. Das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 318 zu der Fläche des gesamten Elements 340 ist bei Ausführungsbeispielen kleiner als 0.3.The period A which allows the highest transmission depends inter alia on the thickness (t + h) of the structured metal layer 134-1. For example, for a resonant wavelength λ res of 650 nm, the width or diameter b of the opening 318 could be selected to 110 nm, the area ratio of the area of the opening 318 to the area of the entire element 340 could be 0.01, and A could be 90 nm and t are chosen to be 20 nm. At this point, it should be emphasized that these values represent only example values to give an idea of possible magnitudes. According to embodiments, A is in a range of 10 nm to 2110 nm. The thickness (t + h) of the metal layer 134-1 in embodiments is in a range of 30 nm to 2500 nm, preferably in a range of 350 nm to 550 nm. The height h of the depression is, of course, smaller than the thickness (t + h) of the metal layer A 134-l and in embodiments lies in a range above (t + h) / 2. The area ratio of the area of the opening 318 to the area of the entire element 340 is less than 0.3 in embodiments.
Eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Strukturelements 340 ist in Fig. 32 gezeigt. Sie zeigt eineA side view of another embodiment of a structural element 340 is shown in FIG. It shows one
Möglichkeit, die Rillen des Strukturelements zu erzeugen, die beispielsweise auch in CMOS-Prozessen implementierbar ist, wofür in Fig. 8 exemplarisch ein Beispiel gezeigt wurde.Possibility to create the grooves of the structure element, which can also be implemented, for example, in CMOS processes is, for which an example has been shown in Fig. 8 by way of example.
Fig. 32 zeigt ein Strukturelement bzw. eine Metallstruktur 340, welche (s) eine erste strukturierte Metallschicht 134-1 und eine zweite strukturierte Metallschicht 134-2 mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum 136-1 umfasst, durch welches sich wiederum metallische Durchkontaktierungen 352 erstrecken. Die erste strukturierte Metallschicht 134-1 weist eine Subwellenlängenöffnung 318 auf. Die darüber liegenden Durchkontaktierungen 352 und die zweite strukturierte Metallschicht 134-2 sind jeweils strukturiert, um zusammen die periodischen Vertiefungen 342, Erhöhungen 344 und die Subwellenlängenöffnung 318 zu bilden. D.h. an Orten von Vertiefungen 342 und der Subwellenlängenöffnung 318 wurde sowohl Metall der zweiten strukturierten Metallschicht 134- 2 entfernt. An Orten der Erhöhungen 344 wurde das Metall der zweiten strukturierten Metallschicht 134-2 nicht entfernt, und die Durchkontaktierungen 352 können dort lateral deckungsgleich mit dem Metall der zweiten Metallstruktur 134-2 in beispielsweise Ringen gebildet sein. Das Metall der Durchkontaktierungen 352 kann zu dem Metall der Metallschichten 134-1 und 134-2 gleich sein oder unterschiedlich. Das Dielektrikum 136-1 füllt sowohl den Zwischenraum in der Öffnung 318 als auch in den entstehenden Rillen bzw. Vertiefungen 342. In der Herstellung wird beispielsweise zunächst die Metallschicht 34-1 aufgebrecht und strukturiert, woraufhin die Durchkontaktierungen an den entsprechenden Stellen gebildet werden. Daraufhin wird dann beispielsweise ein erster Teil des Dielektrikums aufgebracht, um die bis dahin entstandenen Vertiefungen zu füllen, woraufhin wieder die zweite Metallschicht 134-2 aufgebracht und strukturiert wird.32 shows a structural element or a metal structure 340, which comprises a first structured metal layer 134-1 and a second structured metal layer 134-2 with an interposed dielectric 136-1, through which in turn metallic plated-through holes 352 extend. The first patterned metal layer 134-1 has a sub-wavelength aperture 318. The overlying vias 352 and the second patterned metal layer 134-2 are each patterned to form together the periodic pits 342, bumps 344, and the sub-wavelength opening 318. That At locations of recesses 342 and sub-wavelength aperture 318, both metal of the second patterned metal layer 134-2 has been removed. At locations of the bumps 344, the metal of the second patterned metal layer 134-2 has not been removed, and the vias 352 may laterally be congruent with the metal of the second metal pattern 134-2 in, for example, rings. The metal of the vias 352 may be the same or different from the metal of the metal layers 134-1 and 134-2. The dielectric 136-1 fills both the gap in the opening 318 and in the resulting grooves or recesses 342. In the manufacture, for example, the metal layer 34-1 is first applied and structured, whereupon the plated-through holes are formed at the corresponding locations. Then, for example, a first part of the dielectric is then applied in order to fill the recesses formed until then, whereupon again the second metal layer 134-2 is applied and patterned.
Ein entsprechender Aufbau eines Strukturelements 340 mit mehr als zwei strukturierten Metallschichten und mehr als einer Durchkontaktierungsebene 136-1 ist natürlich ebenso denkbar. Ferner sei erneut darauf hingewiesen, dass die Rillen bzw. Vertiefungen und Vorsprünge bzw. Erhöhungen natürlich nicht ringförmig sein müssen sondern auch andere laterale Formen möglich sind, wie z.B. geradlinige Verläufe, wie sie in Fig. 25 gezeigt sind, aber auch andere, wie z.B. rechteckige.A corresponding structure of a structural element 340 having more than two structured metal layers and more than one via plane 136-1 is naturally also conceivable. It should also be recalled that the Of course, grooves or depressions and projections or elevations need not of course be annular but also other lateral shapes are possible, such as rectilinear courses, as shown in Fig. 25, but also others, such as rectangular.
Strukturierte Metallschichten gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung lassen sich im Rahmen von CMOS- Technologie beispielsweise mittels nicht vollständig oder vollständig durchgeätzter Metallschichten realisieren. Auch bei sich ändernden Prozessparametern kann die Strukturperiode A konstant gehalten werden.Structured metal layers according to embodiments of the present invention can be realized within the framework of CMOS technology, for example by means of metal layers which are not completely or completely etched through. Even with changing process parameters, the structure period A can be kept constant.
In Fig. 26 ist der fokussierende Effekt bzw. der Plasmon- Polariton-Resonanz-Effekt der strukturierten Metallschicht 134-1 gemäß Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.FIG. 26 schematically illustrates the focusing effect or the plasmon-polariton resonance effect of the structured metal layer 134-1 according to exemplary embodiments.
Die elektromagnetische Strahlung 118 trifft zunächst auf die ganze Fläche des Strukturelements 340. Aufgrund des Plasmon-Polaritron-Resonanz-Effekts konzentriert sich die elektromagnetische Strahlung der Resonanzwellenlänge λres bzw. des Resonanzwellenlängenbereichs in der Nähe der Sub- wellenlängenöffnung 318, tritt durch diese hindurch, breitet sich in Richtung Pixelsensor 14 aus, und trifft schließlich auf den Pixelsensor bzw. die Photodiode 14. Dabei ist gemäß Ausführungsbeispielen der Abstand d zwischen der Metallschicht 134-1 und der Photodiode 14 kleiner als die Resonanzwellenlänge λres, beispielsweise kleiner als 3 μm.The electromagnetic radiation 118 initially strikes the entire surface of the structure element 340. Due to the plasmon polaritron resonance effect, the electromagnetic radiation of the resonance wavelength λ res or of the resonance wavelength region concentrates in the vicinity of the sub-wavelength opening 318 and passes through it. extends in the direction of the pixel sensor 14, and finally hits the pixel sensor or the photodiode 14. Here, according to embodiments, the distance d between the metal layer 134-1 and the photodiode 14 is smaller than the resonance wavelength λ res , for example, less than 3 microns.
In Fig. 27 ist ein Transmissionverhältnis dreier unterschiedlicher Wellenlängen λi, X2 und λ3 für ein Verhältnis b/B = 0.01 dargestellt. Dabei ist die Transmissionsleistung jeweils logarithmisch dargestellt.FIG. 27 shows a transmission ratio of three different wavelengths λi, X 2 and λ 3 for a ratio b / B = 0.01. The transmission power is shown logarithmically.
Wie sich aus Fig. 27 erkennen lässt, entspricht λi zumindest näherungsweise der Resonanzwellenlänge λtes der gemäß Ausführungsbeispielen strukturierten Metallschicht. Die Subwellenlängenöffnung 318 bzw. deren Breite oder Durchmesser b ist vorzugsweise kleiner als die Resonanzwellenlänge λres- B kann theoretisch sehr groß gewählt werden, praktisch verkleinert sich die elektromagnetische Feldstärke für die Resonanzwellenlänge λres aufgrund einer Rauhheit einer Oberfläche der strukturierten Metallschicht. Bei diesen Größenverhältnissen (b/B = 0.01) liegt das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 318 zu der Fläche des gesamten Elements 340 bei 1 : 10.000, d.h. ohne Resonanzeffekt wird die ein- fallende elektromagnetische Strahlung 118 bzw. das einfallende Licht, um ca. 40 dB gedämpft. Bei der Resonanzwellenlänge λres dagegen liegt eine Dämpfung bei weniger als 10 dB vor.As can be seen from FIG. 27, λi corresponds at least approximately to the resonance wavelength λ tes of the metal layer structured in accordance with exemplary embodiments. The Sub-wavelength opening 318 or its width or diameter b is preferably smaller than the resonance wavelength λ res - B can theoretically be chosen very large, practically reduces the electromagnetic field strength for the resonance wavelength λ res due to roughness of a surface of the patterned metal layer. With these size ratios (b / B = 0.01), the area ratio of the area of the opening 318 to the area of the entire element 340 is 1: 10,000, ie without resonance effect, the incident electromagnetic radiation 118 or the incident light is reduced by approx. 40 dB attenuated. By contrast, at the resonant wavelength λ res , attenuation is less than 10 dB.
Aus der in Fig. 27 gezeigten Transmission für die drei Wellenlängen λi, λ und λ3 normiert auf λi, lässt sich erkennen, dass bei einer Verwendung von strukturierten Metallschichten gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine sehr gute spektrale Trennung zwischen ver- schiedenen Spektralkanälen möglich ist. Es sind gute Dämpfungen für ungewünschte Spektralwerte mit steilen spektralen Flanken möglich..Lambda..sub.i from in Fig. Transmittance shown 27 for the three wavelengths λ Σ and λ 3 normalized to .lambda..sub.i, can be seen that, for a use of patterned metal layers in accordance with embodiments of the present invention, a very good spectral separation between different spectral possible is. Good attenuation for unwanted spectral values with steep spectral edges is possible.
In der Praxis kann es vorkommen, dass die geometrischen Ab- messungen, insbesondere die Ausdehnung B, eines einzelnen Strukturelements 340 kleiner sind als Abmessungen einer darunter liegenden Photodiode 14. In diesem Fall kann ein integriertes Sensorelement realisiert werden, indem in einer Metallschicht eine Mehrzahl von Strukturelementen 340 angeordnet wird, so dass eine Photodiode von der strukturierten Metallschicht vollständig abgedeckt werden kann. Dieser Zusammenhang ist exemplarisch in Fig. 28 gezeigt.In practice, it may happen that the geometric dimensions, in particular the extent B, of a single structural element 340 are smaller than dimensions of an underlying photodiode 14. In this case, an integrated sensor element can be realized by forming a plurality of metal layers in a metal layer Structure elements 340 is arranged so that a photodiode of the structured metal layer can be completely covered. This relationship is shown by way of example in FIG. 28.
Fig. 28 zeigt eine Draufsicht auf eine strukturierte Me- tallschicht 134-1 mit vier Strukturelementen 340.FIG. 28 shows a plan view of a structured metal layer 134 - 1 with four structural elements 340.
Die vier dargestellten Strukturelemente können gemäß Ausführungsbeispielen identisch ausgeführt sein. Das heißt, die Subwellenlängenöffnungen 318 und die zylindrischen Strukturen bzw. Rillen weisen jeweils die gleichen Abmessungen auf. Dadurch wird es genau einer Resonanzwellenlänge λres bzw. einem Resonanzwellenlängenbereich ermöglicht, sich durch den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt bis hin zu dem unter der Metallschicht 134-1 liegenden Pixelsensor bzw. der Photodiode 14 auszubreiten.The four structural elements shown can be made identical according to embodiments. This means, the subwavelength openings 318 and the cylindrical structures respectively have the same dimensions. As a result, precisely one resonance wavelength λ res or one resonance wavelength range is made possible for propagating through the plasmon-polariton resonance effect as far as the pixel sensor or the photodiode 14 lying below the metal layer 134-1.
Dabei weisen benachbarte Ringe eine unterschiedliche Höhe auf. Das heißt, die Vertiefungen 342 liegen tiefer als die Erhöhungen 344.In this case, adjacent rings have a different height. That is, the depressions 342 are lower than the elevations 344.
Nachdem im Vorhergehenden Aufbau und Funktionsweise von integrierten Sensorelementen mit Plasmon-Polariton-Resonanz- Effekt gemäß Ausführungsbeispielen eingehend beschrieben wurden, soll im Nachfolgenden noch auf integrierte multispektrale Bildsensoren bzw. Spektrometer auf Basis der integrierten Sensorelemente eingegangen werden. Dazu zeigt Fig. 31 exemplarisch eine Draufsicht auf eine strukturierte Metallschicht 134-1 mit drei Strukturelementen 340-1 bis 340-3.Having been described in detail in the foregoing structure and operation of integrated sensor elements with plasmon-polariton resonance effect according to exemplary embodiments, integrated multispectral image sensors or spectrometers based on the integrated sensor elements will be discussed below. For this purpose, FIG. 31 shows by way of example a plan view of a structured metal layer 134-1 with three structural elements 340-1 to 340-3.
Die in Fig. 31 gezeigten Strukturelemente 340-1 bis 340-3 könnten jeweils auf einen unterschiedlichen Wellenlängenbe- reich bzw. eine unterschiedliche Resonanzwellenlänge λres abgestimmt sein, wobei in diesem Fall jedem Strukturelement ein separater Pixelsensor zum Detektieren der jeweiligen Resonanzwellenlänge λres zugeordnet wird. Beispielsweise könnte ein erstes Strukturelement 340-1 auf eine Wellenlän- ge aus einem ersten Spektralbereich, ein zweites Strukturelement 340-2 auf eine Wellenlänge aus einem zweiten Spektralbereich und ein drittes Strukturelement 340-3 auf eine Wellenlänge aus einem dritten Spektralbereich eingestellt sein, usw.. Die Strukturelemente 340 der struktu- rierten Metallschicht sind bei einem multispektralen Bildsensor also auf die jeweiligen Spektralbereiche bzw. Wellenlängen abgestimmt. Dasselbe gilt ebenfalls für die Öffnungen 318-1 bis 318-3. Dabei ist zu bemerken, dass natür- lieh auch mehrere benachbarte Strukturelemente 340 eines multispektralen Bildsensors auf eine bestimmte Wellenlänge bzw. einen Spektralkanal eingestellt sein können, wenn es die Abmessungen einer Fotodiode erforderlich machen, so wie es im Vorhergehen bereits erläutert wurde. D.h. für jeden Spektralkanal könnte beispielsweise eine Anordnung mit mehreren identischen Strukturelementen gemäß Fig. 28 vorgesehen sein.The structural elements 340-1 to 340-3 shown in FIG. 31 could each be tuned to a different wavelength range or a different resonance wavelength λ res , in which case each structural element is assigned a separate pixel sensor for detecting the respective resonance wavelength λ res , For example, a first structure element 340-1 could be set to a wavelength of a first spectral range, a second structure element 340-2 to a wavelength of a second spectral range, and a third structure element 340-3 to a wavelength of a third spectral range, etc. The structural elements 340 of the structured metal layer are thus matched to the respective spectral ranges or wavelengths in the case of a multispectral image sensor. The same also applies to the openings 318-1 to 318-3. It should be noted that natural It would also be possible to set a plurality of adjacent structure elements 340 of a multispectral image sensor to a specific wavelength or a spectral channel, if required by the dimensions of a photodiode, as already explained above. That is, for example, an arrangement with several identical structural elements according to FIG. 28 could be provided for each spectral channel.
Wie es im Vorhergehenden bereits erläutert wurde, kann ein Sensorelement beispielsweise durch Adaption der jeweiligen Strukturelemente 340 auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz λres eingestellt werden. In dem in Fig. 31 gezeigten Ausführungsbeispiel können somit die Strukturelemente 340 benach- barter Sensorelemente unterschiedliche Radien der Ringe aufweisen. Des Weiteren können die Abmessungen der Lochöffnungen 318-1, 318-2 und 318-3 variieren.As already explained above, a sensor element can be adjusted to a predetermined resonant frequency λ res , for example, by adapting the respective structural elements 340. In the exemplary embodiment shown in FIG. 31, the structural elements 340 of adjacent sensor elements can thus have different radii of the rings. Furthermore, the dimensions of the hole openings 318-1, 318-2 and 318-3 may vary.
Ausführungsbeispiele umfassen also einen integrierten mul- tispektralen Bildsensor mit einer Mehrzahl von integrierten Sensorelementen, wobei die strukturierten Metallschichten bzw. Strukturelemente 340 der integrierten Sensorelemente ausgebildet sind, um ansprechend auf elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Durchlasswellenlängenbereiche durch den Plasmon-Polariton-Effekt für den jeweiligen Durchlasswellenlängenbereich eine höhere Transmission durch die jeweilige Metallschicht zu dem jeweiligen Pixelsensor zu ermöglichen als für den jeweiligen Durchlasswellenlängenbereich umgebende Wellenlängen.Embodiments thus comprise an integrated multispectral image sensor with a plurality of integrated sensor elements, wherein the structured metal layers or structural elements 340 of the integrated sensor elements are designed to be higher in response to electromagnetic radiation of different transmission wavelength ranges due to the plasmon-polariton effect for the respective transmission wavelength range To allow transmission through the respective metal layer to the respective pixel sensor as wavelengths surrounding the respective transmission wavelength range.
Zusammenfassend umfasst die vorliegende Erfindung also ein integriertes Spektrometer, dessen integrierte Sensorelemente jeweils auf elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche eingestellt werden können, so wie es im Vorhergehenden detailliert beschrieben wurde. Das integrierte Spektrometer kann im Rahmen von herkömmlichen CMOS-Prozessen hergestellt werden. Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, im Rahmen eines CMOS- Prozesses ein ein- bzw. zweidimensionales Photodiodenarray zu realisieren, so dass für jede einzelne Photodiode ein entsprechender schmalbandiger Filter für einen bestimmten Spektralbereich aufgebaut wird, und sich ein Effekt wie durch ein dispersives Element (Prisma oder Gitter) in der Spektroskopie ergibt.In summary, the present invention thus comprises an integrated spectrometer whose integrated sensor elements can each be adjusted to electromagnetic radiation of different wavelength ranges, as has been described in detail above. The integrated spectrometer can be manufactured in the context of conventional CMOS processes. With the aid of exemplary embodiments of the present invention, it is possible within the scope of a CMOS process to realize a one- or two-dimensional photodiode array, so that a corresponding narrow-band filter for a specific spectral range is built up for each individual photodiode, and an effect as by gives a dispersive element (prism or grating) in spectroscopy.
Einige der vorhergehenden Ausführungsbeispiele verwendeten als Filterstruktur solche, die als photonischer Kristall ausgebildet waren oder einen Plasmon-Polariton-Effekt ermöglichten. Wie beschrieben ist es möglich, solche Filterstrukturen in einer CMOS-Technologie zu erzeugen, indem die Metallschichten 134 verwendet werden. Insbesondere wurde auch auf die Möglichkeit hingewiesen, dass die unterste, d.h. dem Pixelsensor 14 nächstgelegene, Metallschicht 134-1 als eine Art Blendenschicht verwendet werden könnte, während eine oder mehrere der darüber gelegenen Metallschich- ten 134-2 bis 134-4 dazu verwendet werden, den photonischen Kristall zu bilden bzw. die den Plasmon-Polariton-Effekt ermöglichende Struktur. Ergänzend für diese Ausführungsbeispiele sei darauf hingewiesen, dass der Abstand zwischen der dem Pixelsensor 14 nächstgelegenen Metallschicht, die zur Bildung des photonischen Kristalls bzw. der den Plasmon-Polariton-Effekt ermöglichenden Struktur beiträgt, wie z.B. der Metallschicht 134-2, zu der als Blendenschicht fungierenden Metallschicht 134-1 vorzugsweise kleiner oder gleich der mittleren Durchlasswellenlänge des Durchlassbe- reiches der Durchlasscharakteristik der Filterstruktur ist, die sich durch den photonischen Kristall bzw. die Plasmon- Polariton-Effekt ermöglichende Struktur in Kombination mit der Blendenschicht ergibt. Liegen beispielsweise die Mit- tendurchlasswellenlängen der Subpixel im sichtbaren Spekt- rum so kann beispielsweise der Abstand zwischen den vorbesagten Metallschichten kleiner oder gleich 400 nm sein. Die mittlere Durchlassfrequenz könnte als diejenige Frequenz betrachtet werden, bei der das Integral über die Durchlass- Charakteristik 50% des Gesamtintegrals beträgt. Die Durchlassbreite der Bandpässe der einzelnen Subpixel könnte beispielsweise kleiner 100 nm sein und vorzugsweise kleiner als 50 nm. Lediglich vorsichtshalber wird darauf hingewie- sen, dass abhängig von den Gegebenheiten zwischen den vorbesagten Metallschichten oder der Blendenmetallschicht und dem Pixelsensor auch eine oder mehrere andere Metallschichten liegen könnten, wenn andererseits die soeben erwähnten Maximalabstände eingehalten werden können. Wenn diese Maxi- malabstände nämlich eingehalten werden, sitzt die Blendenschicht in einem Nahfeldabstand zu dem photonischen Kristall bzw. der dem Plasmon-Polariton-Effekt ermöglichenden Struktur, und durch geeignetes Platzieren von einer oder mehreren Öffnungen in der Blendenschicht an Orten, an denen die Feldkonzentration des photonischen Kristalls bzw. die Plasmon-Polariton-Struktur bei der gewünschten Durchlassfrequenz Maxima aufweist, kann die Wellenlängenselektivität • der so entstehenden Filterstruktur relativ zu dem Zustand, da die Blendenschicht fehlt, gesteigert werden.Some of the foregoing embodiments used as a filter structure those which were formed as a photonic crystal or allowed a plasmon-polariton effect. As described, it is possible to produce such filter structures in a CMOS technology by using the metal layers 134. In particular, the possibility has also been pointed out that the lowermost metal layer 134-1, which is closest to the pixel sensor 14, could be used as a type of diaphragm layer, while one or more of the metal layers 134-2 to 134-4 located above are used for this purpose to form the photonic crystal or the structure permitting the plasmon-polariton effect. In addition to these exemplary embodiments, it should be noted that the distance between the metal layer closest to the pixel sensor 14, which contributes to the formation of the photonic crystal or the structure permitting the plasmon-polariton effect, for example the metal layer 134-2, to that as an aperture layer acting metal layer 134-1 is preferably less than or equal to the average transmission wavelength of the Durchlassbe- riches the transmission characteristic of the filter structure, which results from the photonic crystal or the plasmon-polariton effect enabling structure in combination with the diaphragm layer. If, for example, the center transmission wavelengths of the subpixels lie in the visible spectrum, the distance between the aforementioned metal layers, for example, can be less than or equal to 400 nm. The average pass frequency could be considered as the frequency at which the integral passes through the passband. Characteristic is 50% of the total integral. The passage width of the bandpass filters of the individual subpixels could, for example, be less than 100 nm and preferably less than 50 nm. For the sake of brevity, it should be pointed out that, depending on the circumstances between the aforementioned metal layers or the diaphragm metal layer and the pixel sensor, one or more other metal layers are present could, on the other hand, be able to comply with the maximum distances just mentioned. Namely, when these maximum distances are maintained, the diaphragm layer is located at a near field distance to the photonic crystal or the plasmon-polariton effect enabling structure, and by appropriately placing one or more apertures in the diaphragm layer at locations where the field concentration of the photonic crystal or plasmon-polariton structure at the desired pass frequency maxima, the wavelength selectivity • of the resulting filter structure relative to the condition that the aperture layer is absent can be increased.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass es nicht unbedingt notwendig ist, dass Metallschichten zur Definition der Filterstruktur verwendet werden, und zwar unabhängig davon, ob es sich gemäß obiger Ausführungsbeispiele um ei- nen photonischen Kristall, eine Zonenplattenoptik oder eine Plasmon-Polariton-Struktur handelt. Vielmehr kann statt oder zusätzlich zu den dort gezeigten strukturierten Metallschicht auch eine strukturierte Polysiliziumschicht verwendet werden. Die Fig. 37 zeigt wie Fig. 8 ein Ausfüh- rungsbeispiel eines in CMOS-Technik hergestellten Multi- spektralsensors. Wie es zu sehen ist, existieren nach dieser CMOS-Technik die gleichen Schichten wie in Fig. 8. Allerdings ist zwischen der untersten Metallschicht 133-1 und dem Halbleitersubstrat 136 eine Polysiliziumschicht 700 an- geordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es nun auch möglich, ein Filterelement durch Kombination des Pixelsensorsensors 131 mit einer Filterstruktur zu bilden, die nicht nur durch die Metallschichten sondern auch durch Strukturierung der Polysiliziumschicht 700 erhalten wird, also in Kombination mit einer Strukturierung einer oder mehrerer der Metallschichten 133-1 bis 133-3. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wäre natür- lieh auch eine Kombination mehrerer Polysiliziumschichten möglich, falls solche Schichten in der verwendeten Technologie vorhanden sind. Wie es zu sehen ist, liegt die Polysiliziumschicht 700 direkt auf dem Substrat 136 auf. Hierzu gibt es natürlich auch Alternativen. Ebenso wie die Metall- schichten könnte die Polysiliziumschicht 700 auch weiter von dem Halbleitersubstrat 136 entfernt sein, wenn dies ein jeweiliger CMOS-Prozess zulässt. Auch eine Bildung einer Filterstruktur durch Strukturierung lediglich einer Polysiliziumschicht wäre möglich. Ferner wäre statt der Verwen- düng von Polysilizium auch die Verwendung von anderem polykristallinen Halbleitermaterial möglich. Die Strukturierung der Schicht 700, um eine geeignete, oben gezeigte Bandpassfilterwirkung zu erhalten, kann auf die gleiche Art und Weise bzw. mit den gleichen Abmessungen und Formen vorge- noπunen werden, wie es im Vorhergehenden Bezug nehmend auf die Metallschichten beschrieben worden ist. Schließlich kann die Polysiliziumschicht 700 auch als die vorerwähnte Blendenschicht fungieren, zum Beispiel wenn die Bandpasswellenlänge in einem Spektralbereich liegt, bei welchem die Polysiliziumschicht absorbierend wirkt, bzw. wenn die Polysiliziumschicht für den Frequenzmessbereich des Multispekt- ralsensors absorbierend wirkt.Finally, it should be pointed out that it is not absolutely necessary that metal layers are used to define the filter structure, regardless of whether it is a photonic crystal, a zone plate optics or a plasmon-polariton structure according to the above exemplary embodiments , Rather, instead of or in addition to the structured metal layer shown there, a structured polysilicon layer can also be used. FIG. 37, like FIG. 8, shows an embodiment of a multi-spectral sensor produced in CMOS technology. As can be seen, the same layers exist as in FIG. 8 according to this CMOS technique. However, a polysilicon layer 700 is arranged between the lowermost metal layer 133-1 and the semiconductor substrate 136. According to an embodiment of the present invention, it is now also possible to form a filter element by combining the pixel sensor sensor 131 with a filter structure not only through the metal layers but is also obtained by structuring the polysilicon layer 700, that is to say in combination with a structuring of one or more of the metal layers 133-1 to 133-3. Of course, according to alternative embodiments, it would also be possible to combine a plurality of polysilicon layers, if such layers are present in the technology used. As can be seen, the polysilicon layer 700 is directly on the substrate 136. Of course there are alternatives for this. As with the metal layers, the polysilicon layer 700 could also be further from the semiconductor substrate 136, if allowed by a respective CMOS process. It would also be possible to form a filter structure by structuring only one polysilicon layer. Furthermore, instead of using polysilicon, it would also be possible to use other polycrystalline semiconductor material. The patterning of the layer 700 to obtain a suitable bandpass filter effect as shown above may be provided in the same manner and with the same dimensions and shapes as described above with respect to the metal layers. Finally, the polysilicon layer 700 may also function as the aforementioned aperture layer, for example when the bandpass wavelength is in a spectral range at which the polysilicon layer is absorbing, or when the polysilicon layer is absorbing to the frequency measurement range of the multi-spectral sensor.
Schließlich sei noch erwähnt, das die oben beschrieben CMOS-Metallschichten, wie z.B. die CMOS-Metalll-Schicht, teilweise neben den Öffnungen zur Bildung der Filterstrukturen elektrische Verbindungen bzw. Leiterbahnen aufweisen können, die elektrischen Verbindungen zwischen Schaltungselementen (z.B. Transistoren) des integrierten Bildsensors herstellen. Das gilt auch für die soeben gezeigte Polysiliziumschicht. Auch die kann zur Bildung von Leiterbahnen oder Bauelementen lateral beabstandet von den eigentlichen Pixelsensoren verwendet werden. Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen beschriebenen Bauteile oder die erläuternden Vorgehensweisen beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Anzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der GesamtZusammenhang eindeutlich etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung. Finally, it should be noted that the CMOS metal layers described above, such as the CMOS Metalll layer, in part next to the openings for forming the filter structures may have electrical connections or interconnects, the electrical connections between circuit elements (eg transistors) of the integrated image sensor produce. This also applies to the polysilicon layer just shown. Also, it may be used to form traces or components laterally spaced from the actual pixel sensors. Finally, it should be understood that the present invention is not limited to the particular components described or the illustrative procedures, as these components and methods may vary. The terms used herein are intended only to describe particular embodiments and are not intended to be limiting. When the number or indefinite articles are used in the specification and claims, they also refer to the majority of these elements unless the context as a whole clearly indicates otherwise. The same applies in the opposite direction.

Claims

Patentansprüche claims
1. Multispektraler Bildsensor (10; 20; 30; 40) , der mittels eines CMOS-Prozesses gefertigt ist und ein zwei- dimensionales Array aus Superpixeln aufweist, wobei jeder Superpixel wenigstens fünf1. A multi-spectral image sensor (10; 20; 30; 40) fabricated using a CMOS process and having a two-dimensional array of super pixels, each super pixel being at least five
Sensorelemente (11) aufweist mit jeweilsSensor elements (11) each having
einem Pixelsensor (14);a pixel sensor (14);
einer Filterstruktur (12) mit wenigstens einer strukturierten Schicht aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial des CMOS-Prozesses, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die Filterstruktur zu dem Pixelsensor (14) ergibt als für den Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen;a filter structure (12) having at least one patterned layer of metal or polycrystalline semiconductor material of the CMOS process which, in response to electromagnetic radiation of a wavelength range, gives a higher transmission through the filter structure to the pixel sensor (14) than wavelengths surrounding the wavelength range;
wobei die wenigstens fünf Sensorelemente (12) gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (16) integriert sind und paarweise auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche ausgelegt sind.wherein the at least five sensor elements (12) are integrated together on a semiconductor substrate (16) and are designed in pairs to different wavelength ranges.
2. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 1, bei dem eine erste Filterstruktur (12-1) eines ersten Sensorelements (11-1) wenigstens einen ersten photonischen Kristall (122-1) aufweist und bei dem eine zweite FiI- terstruktur (12-2) eines zweiten Sensorelements (11-2) wenigstens einen zweiten photonischen Kristall (122-2) aufweist .2. Multispectral image sensor according to claim 1, wherein a first filter structure (12-1) of a first sensor element (11-1) has at least one first photonic crystal (122-1) and in which a second filter structure (12-2) a second sensor element (11-2) has at least one second photonic crystal (122-2).
3. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 2, bei dem der wenigstens eine erste photonische Kristall (122-1) eine fokussierende Wirkung für elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aufweist, so dass die elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in einem ersten Feldkonzentrationsbereich fokussiert wird, und bei dem der erste Pixelsensor (14-1) in dem ersten Feldkonzentrationsbereich der ersten Filterstruktur (12-1) angeordnet ist, und bei dem der wenigstens eine zweite photonische Kristall (122-2) eine fokussierende Wirkung für elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs aufweist, so dass die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs in einem zweiten Feldkonzentrationsbereich fokussiert wird, und bei dem der zweite Pixelsensor (14-2) in dem ersten Feldkonzentrationsbereich der zweiten Filterstruktur (12-2) angeordnet ist.3. A multi-spectral image sensor according to claim 2, wherein the at least one first photonic crystal (122-1) has a focusing effect for electromagnetic radiation of a first wavelength range, so that the electromagnetic radiation of a first Wavelength range is focused in a first field concentration range, and wherein the first pixel sensor (14-1) in the first field concentration region of the first filter structure (12-1) is arranged, and wherein the at least one second photonic crystal (122-2) has a focusing Effect for electromagnetic radiation of a second wavelength range, so that the electromagnetic radiation of the second wavelength range is focused in a second field concentration range, and wherein the second pixel sensor (14-2) in the first field concentration region of the second filter structure (12-2) is arranged.
4. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die erste Filterstruktur (12-1) aus einem ersten Array (124-1) aus ersten photonischen Kristallen (122) gebildet ist, um eine der ersten Filterstruktur (12-1) zugewandte Oberfläche des ersten Pixelsensors (14-1) vollständig abzudecken, und bei dem die zweite Filterstruktur (12-2) aus einem zweiten4. The multi-spectral image sensor according to claim 2, wherein the first filter structure is formed from a first array of first photonic crystals to form one of the first filter structures ) facing surface of the first pixel sensor (14-1) completely cover, and wherein the second filter structure (12-2) from a second
Array (124-2) aus zweiten photonischen KristallenArray (124-2) of second photonic crystals
(122) gebildet ist, um eine der zweiten Filterstruktur(122) is formed around one of the second filter structure
(12-2) zugewandte Oberfläche des zweiten Pixelsensors (14-2) vollständig abzudecken.(12-2) facing surface of the second pixel sensor (14-2) completely cover.
5. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der wenigstens eine erste photonische Kristall (122-1) aus einem ersten Schichtstapel von dielektrischen Schichten (136) und strukturierten Metallschichten (134) des CMOS-Prozesses gebildet ist, und bei dem der wenigstens eine zweite photonische Kristall (122-2) aus einem zweiten Schichtstapel von dielektrischen Schichten (136) und strukturierten Me- tallschichten (134) des CMOS-Prozesses gebildet ist.5. The multi-spectral image sensor of claim 2, wherein the at least one first photonic crystal is formed from a first layer stack of dielectric layers and structured metal layers of the CMOS process in that at least one second photonic crystal (122-2) is formed from a second layer stack of dielectric layers (136) and structured metal layers (134) of the CMOS process.
6. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die strukturierten Schichten (134) des ersten Schichtstapels erste Mikroelemente (148-1) aufweisen, deren Abstände und Abmessungen eine Größenordnung aufweisen, um in der Nähe des ersten Pixelsensors (14-1) eine erste spektrale Selektion zu bewirken, und bei dem die strukturierten Schichten (134) des zweiten Schichtstapels zweite Mikroelemente (148-2) aufweisen, deren Abstände und Abmessungen eine Größenordnung aufweisen, um in der Nähe des zweiten Pixelsensors (14-2) eine zweite spektrale Selektion zu bewirken.6. The multi-spectral image sensor according to one of claims 2 to 5, wherein the structured layers (134) of the first layer stack comprises first microelements (148-1) whose spacings and dimensions are of the order of magnitude to effect a first spectral selection in the vicinity of the first pixel sensor (14-1) and in which the structured layers (134) of the second layer stack second microelements (148-2) whose spacings and dimensions are of the order of magnitude to effect a second spectral selection in the vicinity of the second pixel sensor (14-2).
7. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 6, bei dem die Abmessungen und Abstände der ersten Mikroelemente (148-1) eine Größenordnung aufweisen, welche unterhalb einer ersten Wellenlänge des ersten Wellenlängenbe- reichs liegt, und bei dem die Abmessungen und Abstände der zweiten Mikroelemente (148-2) eine Größenordnung aufweisen, welche unterhalb einer zweiten Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs liegt.7. A multi-spectral image sensor according to claim 6, wherein the dimensions and distances of the first microelements (148-1) are of an order of magnitude which is below a first wavelength of the first wavelength range, and wherein the dimensions and spacings of the second microelements (148 -2) have an order of magnitude which is below a second wavelength of the second wavelength range.
8. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 7, bei dem die Größenordnung der Abmessungen und Abstände der ersten Mikroelemente (148-1) in "einem Bereich zwischen dem 0,3-fachen und dem 10-fachen der ersten Wellenlänge liegt, und bei dem die Größenordnung der Abmessun- gen und Abstände der zweiten Mikroelemente (148-2) in einem Bereich zwischen dem 0,3-fachen und dem 10- fachen der zweiten Wellenlänge liegt.8. multispectral image sensor according to claim 7, wherein the magnitude of the dimensions and distances of the first micro-elements (148-1) is in "a range between 0.3 times and 10 times of the first wavelength, and in which the magnitude The dimensions and distances of the second microelements (148-2) are in a range between 0.3 times and 10 times the second wavelength.
9. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die ersten und zweiten Mikroelemente9. A multi-spectral image sensor according to any one of claims 6 to 8, wherein the first and second microelements
(148) als Split-Ring-Resonatoren ausgebildet sind.(148) are designed as split-ring resonators.
10. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die strukturierten Schichten des wenigs- tens einen ersten und zweiten photonischen Kristalls (122-1; 122-2) jeweils mit metallischen Durchkontaktie- rungen verbunden sind, um dreidimensionale Mikroele- mente des wenigstens einen ersten und zweiten photonischen Kristalls (122-1; 122-2) zu erhalten.10. The multispectral image sensor according to claim 2, wherein the structured layers of the at least one first and second photonic crystal (122-1, 122-2) are each connected to metallic plated-through holes in order to produce three-dimensional microelectrons. to obtain elements of the at least one first and second photonic crystal (122-1, 122-2).
11. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 1, bei dem eine erste Filterstruktur (12-1) eine erste strukturierte Schicht (134) mit einer ersten Zonenplatten- struktur (214-1) mit einem ersten Feldkonzentrationsbereich aufweist, wobei die erste Filterstruktur (12-11. A multi-spectral image sensor according to claim 1, wherein a first filter structure (12-1) has a first structured layer (134) with a first zone plate structure (214-1) with a first field concentration range, wherein the first filter structure (12-
1) und ein erster Pixelsensor (14-1) derart in dem Halbleitersubstrat (16) integriert sind, so dass der erste Pixelsensor (14-1) in dem ersten Feldkonzentrationsbereich der ersten Filterstruktur (12-1) angeordnet ist, und bei dem eine zweite Filterstruktur (12-2) eine zweite strukturierte Schicht (134) des CMOS- Prozesses mit einer zweiten Zonenplattenstruktur (214-1) and a first pixel sensor (14-1) are integrated in the semiconductor substrate (16) such that the first pixel sensor (14-1) is disposed in the first field concentration region of the first filter structure (12-1), and wherein a second filter structure (12-2) comprises a second structured layer (134) of the CMOS process having a second zone plate structure (214-
2) mit einem zweiten Feldkonzentrationsbereich aufweist, wobei die zweite Filterstruktur (12-2) und ein zweiter Pixelsensor (14-2) derart in dem Halbleitersubstrat (16) integriert sind, so dass der zweite Pi- xelsensor (14-2) in dem zweiten Feldkonzentrationsbereich der zweiten Filterstruktur (12-2) angeordnet ist.2) having a second field concentration range, wherein the second filter structure (12-2) and a second pixel sensor (14-2) are integrated in the semiconductor substrate (16), so that the second pixel sensor (14-2) in the second field concentration region of the second filter structure (12-2) is arranged.
12. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 11, bei dem die erste und die zweite Zonenplattenstruktur (214-12. The multispectral image sensor according to claim 11, wherein the first and the second zone plate structure (214-
1; 214-2) jeweils eine eine Raumwinkelverteilung beeinflussende Wirkung aufweisen.1; 214-2) each have an effect influencing a spatial angle distribution.
13. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem die erste Filterstruktur (12-1) ferner eine erste weitere strukturierte Schicht (272) des CMOS-Prozesses mit zumindest näherungsweise identischer Zonenplattenstruktur (214) wie die erste strukturierte Schicht (134) aufweist, wobei die zumin- dest näherungsweise identische Zonenplattenstrukturen der ersten strukturierten Schicht (134) und der ersten weiteren strukturierten Schicht (272) zueinander lateral versetzt sind, um eine spektrale Filterwirkung des ersten Sensorelements (11-1) zu erhalten, und bei dem die zweite Filterstruktur (12-2) ferner eine zweite weitere strukturierte Schicht (272) mit zumindest näherungsweise identischer Zonenplattenstruktur (214) wie die zweite strukturierte Schicht (134) aufweist, wobei die zumindest näherungsweise identische Zonen- plattenstrukturen der zweiten strukturierten Schicht (134) und der zweiten weiteren strukturierten Schicht (272) zueinander lateral versetzt sind, um eine spekt- rale Filterwirkung des zweiten Sensorelements (11-2) zu erhalten.13. The multispectral image sensor according to claim 11, wherein the first filter structure further comprises a first further structured layer of the CMOS process having at least approximately the same zone plate structure as the first structured layer ), wherein the at least approximately identical zone plate structures of the first structured layer (134) and the first further structured layer (272) are laterally offset from one another in order to produce a spectral filtering effect of the first sensor element (11-1), and wherein the second filter structure (12-2) further comprises a second further structured layer (272) with at least approximately identical zone plate structure (214) as the second structured layer (134), wherein the at least approximately identical zone plate structures of the second structured layer (134) and the second further structured layer (272) are laterally offset from one another in order to obtain a spectral filtering effect of the second sensor element (11-2).
14. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die erste Filterstruktur (12-1) ferner eine erste weitere strukturierte Schicht (272) mit Zonenplattenstruktur (214) aufweist, wobei die Zonenplattenstruktur (214) der ersten weiteren strukturierten Schicht (272) gegenüber der Zonenplattenstruktur der ersten strukturierten Schicht (134) unter- schiedliche Verhältnisse von Zonenradien aufweist, um eine erste spektrale Filterwirkung zu erhalten, und bei dem die zweite Filterstruktur (12-2) ferner eine zweite weitere strukturierte Schicht (272) mit Zonenplattenstruktur (214) aufweist, wobei die Zonenplat- tenstruktur (214) der zweiten weiteren strukturierten Schicht (272) gegenüber der Zonenplattenstruktur der zweiten strukturierten Schicht (134) unterschiedliche Verhältnisse von Zonenradien aufweist, um eine zweite spektrale Filterwirkung zu erhalten.14. The multispectral image sensor according to claim 11, wherein the first filter structure further comprises a first further structured layer (272) with zone plate structure, wherein the zone plate structure of the first further structured layer is 272) has different ratios of zone radii with respect to the zone plate structure of the first patterned layer (134) to obtain a first spectral filtering effect, and wherein the second filter structure (12-2) further comprises a second further patterned layer (272) of zone plate structure (214), wherein the zone plate structure (214) of the second further structured layer (272) opposite the zone plate structure of the second structured layer (134) has different ratios of zone radii to obtain a second spectral filtering effect.
15. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die erste weitere strukturierte Schicht (272) eine dem ersten Pixelsensor (14-1) am nächsten liegende aber zu demselben beabstandeten Schicht aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial in dem Halbleitersubstrat (16) ist, und bei dem die zweite weitere strukturierte Schicht (272) eine dem zweiten Pixelsensor (14-2) am nächsten liegende Schicht aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial in dem Halbleitersubstrat (16) ist.A multispectral image sensor according to claim 13 or 14, wherein the first further patterned layer (272) is a metal or polycrystalline semiconductor material layer in the semiconductor substrate (16) closest to but spaced from the first pixel sensor (14-1). and wherein the second further patterned layer (272) comprises a metal layer closest to the second pixel sensor (14-2) or polycrystalline semiconductor material in the semiconductor substrate (16).
16. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem Radien von abwechselnd transparenten und nicht transparenten Zonen der ersten Zonen- plattenstruktur (214-1) auf den ersten Wellenlängenbereich angepasst sind, und bei dem Radien von abwechselnd transparenten und nicht transparenten Zonen der zweiten Zonenplattenstruktur (214-2) auf den zweiten Wellenlängenbereich angepasst sind.16. The multi-spectral image sensor according to claim 11, wherein radii of alternately transparent and non-transparent regions of the first zone plate structure are adapted to the first wavelength range, and radii of alternately transparent and non-transparent regions the second zone plate structure (214-2) are adapted to the second wavelength range.
17. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem die erste Zonenplattenstruktur (214-1) ein erstes Array von Zonenplatten aufweist, die jeweils einen Teil des ersten Feldkonzentrationsbereiches definieren, und die Zonenplatten des ersten Arrays gemeinsam dem ersten Pixelsensor (14-1) zugeordnet sind, und bei dem die zweite Zonenplattenstruk- tur (214-2) ein zweites Array von Zonenplatten aufweist, die jeweils einen Teil des zweiten Feldkonzentrationsbereiches definieren, und die Zonenplatten des zweiten Arrays gemeinsam dem zweiten Pixelsensor (14- 2) zugeordnet sind.17. The multispectral image sensor according to claim 11, wherein the first zone plate structure has a first array of zone plates each defining a part of the first field concentration area, and the zone plates of the first array are common to the first pixel sensor -1), and wherein the second zone plate structure (214-2) has a second array of zone plates each defining a portion of the second field concentration range, and the zone plates of the second array are common to the second pixel sensor (14-2). assigned.
18. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen einer dem ersten Pixelsensor (14-1) zugewandten Seite der ersten Filterstruktur (12-1) und dem ersten Pixelsensor (14-1) eine erste strukturierte Schicht (134-1) des CMOS- Prozesses aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial angeordnet ist, und bei dem zwischen einer dem zweiten Pixelsensor (14-2) zugewandten Seite der zweiten Filterstruktur (12-2) und dem zweiten Pixel- sensor (14-2) eine zweite strukturierte Schicht (134- 2) des CMOS-Prozesses aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial angeordnet ist. 18. Multispectral image sensor according to one of the preceding claims, in which a first structured layer (134-1) is arranged between a side of the first filter structure (12-1) facing the first pixel sensor (14-1) and the first pixel sensor (14-1). of the CMOS process of metal or polycrystalline semiconductor material is arranged, and in which between a second pixel sensor (14-2) facing side of the second filter structure (12-2) and the second pixel sensor (14-2), a second patterned layer (134-2) of the CMOS process is made of metal or polycrystalline semiconductor material.
19. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 18, wobei der Feldkonzentrationsbereich wellenlängenabhängig ist, so dass eine optische Kopplung zwischen der ersten Filterstruktur und dem ersten Pixelsensor (14-1) auf einen ersten Filterwellenlängentransmissionsbe- reich begrenzt ist und die erste strukturierte Schicht (134-1) eine erste Öffnung (152-1) aufweist, die angeordnet ist, so dass die optische Kopplung von dem ersten Filterwellenlängentransmissionsbereich weiter ein- geschränkt wird, und so dass eine optische Kopplung zwischen der zweiten Filterstruktur und dem zweiten Pixelsensor (14-2) auf einen zweiten Filterwellenlän- gentransmissionsbereich begrenzt ist und die zweite strukturierte Schicht (134-2) eine zweite Öffnung (152-2) aufweist, die angeordnet ist, so dass die optische Kopplung von dem zweiten Filterwellenlängen- transmissionsbereich weiter eingeschränkt wird.19. The multispectral image sensor according to claim 18, wherein the field concentration range is wavelength-dependent, such that an optical coupling between the first filter structure and the first pixel sensor (14-1) is limited to a first filter wavelength transmission range and the first structured layer (134-1). a first aperture (152-1) disposed so as to further restrict the optical coupling from the first filter wavelength transmission region, and so that an optical coupling between the second filter structure and the second pixel sensor (14-2) is incident on one second filter wavelength transmission region is limited and the second structured layer (134-2) has a second opening (152-2) which is arranged so that the optical coupling is further restricted by the second filter wavelength transmission region.
20. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die wenigstens eine strukturierte Schicht (134-1) einer ersten Filterstruktur (12-1) ansprechend auf elektromagnetische Strahlung (118) eines ersten Wellenlängenbereichs einen Plasmon-Polariton-Resonanz- Effekt ermöglicht, und bei dem die wenigstens eine strukturierte Schicht (134-1) einer zweiten Filterstruktur (12-1) ansprechend auf elektromagnetische Strahlung (118) eines zweiten Wellenlängenbereichs einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ermöglicht.20. The multispectral image sensor according to claim 1, wherein the at least one patterned layer (134-1) of a first filter structure (12-1) in response to electromagnetic radiation (118) of a first wavelength range allows a plasmon-polariton resonance effect, and in in that the at least one structured layer (134-1) of a second filter structure (12-1) enables a plasmon-polariton resonance effect in response to electromagnetic radiation (118) of a second wavelength range.
21. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 20, bei dem die wenigstens eine strukturierte Schicht (134-1) der ersten Filterstruktur (12-1) eine erste Öffnung (318- 1) mit Subwellenlängenabmessung aufweist, wobei die erste Öffnung (318-1) von periodisch angeordneten ers- ten Rillen (342, 344) um die erste Öffnung (318-1) umgeben ist, die Abmessungen und Abstände zueinander aufweisen, die geeignet sind, um für den ersten Wellenlängenbereich in der wenigstens eine strukturierte Schicht (134-1) der ersten Filterstruktur (12-1) den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu erzeugen, und bei dem die wenigstens eine strukturierte Schicht (134-1) der zweiten Filterstruktur (12-2) eine zweite Öffnung (318-2) mit Subwellenlängenabmessung aufweist, wobei die zweite Öffnung (318-2) von periodisch angeordneten zweiten Rillen (342, 344) um die zweite Öffnung (318- 2) umgeben ist, die Abmessungen und Abstände zueinander aufweisen, die geeignet sind, um für den zweiten Wellenlängenbereich in der wenigstens einen strukturierten Schicht (134-1) der zweiten Filterstruktur (12-1) den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu erzeugen.21. The multi-spectral image sensor of claim 20, wherein the at least one patterned layer (134-1) of the first filter structure (12-1) has a first aperture (318-1) of sub-wavelength dimension, the first aperture (318-1) of periodically arranged first grooves (342, 344) around the first opening (318-1) is surrounded, the dimensions and distances from each other, which are suitable for the first wavelength range in the at least one structured Layer (134-1) of the first filter structure (12-1) to produce the plasmon-polariton resonance effect, and in which the at least one structured layer (134-1) of the second filter structure (12-2) has a second opening (12). 318-2) of subwavelength dimension, the second opening (318-2) being surrounded by periodically arranged second grooves (342, 344) about the second opening (318-2) having dimensions and distances from each other that are suitable in order to generate the plasmon-polariton resonance effect for the second wavelength range in the at least one structured layer (134-1) of the second filter structure (12-1).
22. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 21, bei dem die erste Öffnung (318-1) und die ersten Rillen und die zweite Öffnung (318-2) und die zweiten Rillen jeweils rotationssymmetrisch sind.22. The multi-spectral image sensor according to claim 21, wherein the first opening (318-1) and the first grooves and the second opening (318-2) and the second grooves are each rotationally symmetric.
23. Integrierter Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 21 oder 22, bei dem ein Flächenverhältnis einer Fläche der ersten Öffnung (318-1) zu einer umschlossenen Fläche einer rotationssymmetrischen ersten Rille um die erste Öffnung mit einem größten Durchmesser (B) klei- ner als 0.4 ist, und bei dem ein Flächenverhältnis einer Fläche der zweiten Öffnung (318-2) zu einer umschlossenen Fläche einer rotationssymmetrischen zweiten Rille um die zweite Öffnung mit einem größten Durchmesser (B) kleiner als 0.4 ist.23. The integrated multispectral image sensor according to claim 21, wherein an area ratio of an area of the first opening to an enclosed area of a rotationally symmetric first groove around the first opening having a largest diameter is less than 0.4 and wherein an area ratio of an area of the second opening (318-2) to an enclosed area of a rotationally symmetric second groove around the second opening having a largest diameter (B) is smaller than 0.4.
24. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 21, bei dem die erste Öffnung (318-1) linienförmig ausgebildet ist und eine Breite (b) kleiner als eine Wellenlänge des ersten Wellenlängenbereichs aufweist, und bei dem die ersten Rillen (342, 344) zumindest näherungsweise parallel zu der ersten Öffnung verlaufen, und bei dem die zweite Öffnung (318-2) linienförmig ausgebildet ist und eine Breite (b) kleiner als eine Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs aufweist, und bei dem die zweiten Rillen (342, 344) zumindest näherungsweise parallel zu der zweiten Öffnung verlaufen.24. The multispectral image sensor according to claim 21, wherein the first opening (318-1) is formed linearly and has a width (b) smaller than a wavelength of the first wavelength range, and wherein the first grooves (342, 344) at least approximately parallel extend to the first opening, and wherein the second opening (318-2) is formed linear and a width (b) smaller than a wavelength of the second wavelength range, and in which the second grooves (342, 344) extend at least approximately parallel to the second opening.
25. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 24, wobei ein Verhältnis der Fläche (b) der linienförmigen Öffnungen (318-1/318-2) zu einer von zwei jeweils am weitesten von der jeweiligen Öffnung (318-l;318-2) entfernter paralleler Rillen aufgespannten Fläche kleiner als"0.4 ist.25. A multi-spectral image sensor according to claim 24, wherein a ratio of the area (b) of the line-shaped openings (318-1 / 318-2) to one of two farthest from the respective opening (318-1; 318-2) remote parallel Grooved area is less than 0.4.
26. Multispektraler Bildsensor gemäß Anspruch 20, bei dem die wenigstens eine strukturierte Schicht (134-1) der ersten Filterstruktur (12-1) eine zweidimensionale pe- riodische Anordnung von Subwellenlangenöffnungen aufweist, und bei dem die wenigstens eine strukturierte Schicht (134-1) der zweiten Filterstruktur (12-2) eine zweidimensionale periodische Anordnung von Subwellenlangenöffnungen aufweist.26. The multispectral image sensor of claim 20, wherein the at least one patterned layer (134-1) of the first filter structure (12-1) comprises a two-dimensional periodic array of sub-wavelength apertures, and wherein the at least one patterned layer (134-1 ) of the second filter structure (12-2) has a two-dimensional periodic array of sub-wavelength apertures.
27. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26, bei dem der erste Pixelsensor (14-1) in einem Abstand (d) von der wenigstens einen strukturierten Schicht (134-1) der ersten Filterstruktur (12-1) angeordnet ist, der kleiner ist als eine Wellenlänge des ersten Wellenlängenbereichs, und bei dem der zweite Pixelsensor (14-2) in einem Abstand (d) von der wenigstens einen strukturierten Schicht (134-1) der zweiten Filterstruktur (12-1) angeordnet ist, der kleiner ist als eine Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs .27. The multispectral image sensor according to claim 20, wherein the first pixel sensor is arranged at a distance from the at least one structured layer of the first filter structure. which is smaller than a wavelength of the first wavelength region, and wherein the second pixel sensor (14-2) is arranged at a distance (d) from the at least one patterned layer (134-1) of the second filter structure (12-1) is smaller than a wavelength of the second wavelength range.
28. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine strukturier- te Schicht einer ersten Filterstruktur (12-1) Strukturen aufweist, um einen ersten Pixelsensor (14-1) vollständig abzudecken, und bei dem wenigstens eine strukturierte Schicht einer zweiten Filterstruktur (12-2) Strukturen aufweist, um einen zweiten Pixelsensor (14- 1) vollständig abzudecken.28. The multispectral image sensor according to claim 1, wherein at least one patterned layer of a first filter structure has structures for completely covering a first pixel sensor, and at least one structured layer of a second Filter structure (12-2) Having structures to completely cover a second pixel sensor (14-1).
29. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der vorherge- henden Ansprüche, bei dem ein erster Pixelsensor (14-29. Multispectral image sensor according to one of the preceding claims, in which a first pixel sensor (14-
1) von einer dem ersten Pixelsensor (14-1) zugewandten Seite einer ersten Filterstruktur- (12-1) einen vorbestimmten Abstand (d) aufweist, der kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm ist, und bei dem ein zweiter Pixelsensor (14-2) von einer dem zweiten Pixelsensor (14-2) zugewandten Seite einer zweiten Filterstruktur (12-2) einen vorbestimmten Abstand (d) aufweist, der kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm ist.1) has a predetermined distance (d) from a side of a first filter structure (12-1) facing the first pixel sensor (14-1) which is smaller than 20 μm and preferably smaller than 8 μm, and in which a second pixel sensor (14-2) has a predetermined distance (d) from a side of a second filter structure (12-2) facing the second pixel sensor (14-2) which is smaller than 20 μm and preferably smaller than 8 μm.
30. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektromagnetische Strahlung (118) Licht ist.30. A multi-spectral image sensor according to one of the preceding claims, wherein the electromagnetic radiation (118) is light.
31. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens fünf Pixelsensoren (14-1; 14-2) PN-Übergangssensoren sind.A multi-spectral image sensor according to any one of the preceding claims, wherein said at least five pixel sensors (14-1; 14-2) are PN junction sensors.
32. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der vorherge- henden Ansprüche, bei dem die wenigstens fünf Pixelsensoren (14-1; 14-2) Photodioden sind.32. A multi-spectral image sensor according to any one of the preceding claims, wherein said at least five pixel sensors (14-1; 14-2) are photodiodes.
33. Multispektraler Bildsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der in CMOS-Technologie gefertigt ist.33. A multi-spectral image sensor according to one of the preceding claims, which is manufactured in CMOS technology.
34. System, mit34th system, with
einem multispektralen Bildsensor (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche;a multi-spectral image sensor (40) according to one of the preceding claims;
einer Quelle (45) zur Bestrahlung eines Objekts (44) mit elektromagnetischer Strahlung (S) mit einem Spekt- rum, das zumindest teilweise mit dem Wellenlängenbereich der Filterstruktur (12) wenigstens eines der Sensorelemente (11) der Superpixel (42) überlappt;a source (45) for irradiating an object (44) with electromagnetic radiation (S) with a spectrum which at least partially overlaps with the wavelength range of the filter structure (12) of at least one of the sensor elements (11) of the superpixels (42);
einer Verarbeitungseinrichtung (47) zum Bestimmen eines 3D-Bildes des Objekts (44) basierend auf einem Ausgangssignal des multispektralen Bildsensors (40) .processing means (47) for determining a 3D image of the object (44) based on an output of the multispectral image sensor (40).
35. System gemäß Anspruch 34, bei dem die Verarbeitungs- - einrichtung (47) ausgebildet ist, um das 3D-BiId des35. The system of claim 34, wherein the processing means (47) is adapted to perform the 3D imaging of
Objekts (44) mittels Triangulation, Laufzeitmessung oder Interferometrie zu bestimmen.Object (44) by means of triangulation, transit time measurement or interferometry to determine.
36. System gemäß Anspruch 34 oder 35, bei dem die Verar- beitungseinrichtung (47) ausgebildet ist, um das 3D-36. A system according to claim 34 or 35, wherein said processing means (47) is adapted to provide said 3D processing
BiId so zu bestimmen, dass das 3D-BiId für eines oder mehrere der Superpixel eine Entfernungsinformation aufweist, die von dem Ausgangssignal des wenigstens einen der Sensorelemente (11) der Superpixel (42) ab- hängt, sowie eine spektrale Verteilung, die von dem Ausgangssignal von wenigstens mehreren der anderen Sensorelemente (11) der Superpixel (42) abhängt.For example, it may be determined that the 3D image for one or more of the super pixels has distance information that depends on the output signal of the at least one of the sensor elements (11) of the superpixels (42) and a spectral distribution that depends on the output signal of at least several of the other sensor elements (11) of the super pixels (42) depends.
37. Verfahren zum Herstellen eines multispektralen BiId- sensors mittels eines CMOS-Prozesses, mit folgenden37. Method for producing a multispectral imaging sensor by means of a CMOS process, with the following
Schritten:steps:
Erzeugen eines zweidimensionalen Arrays aus Superpi- xeln, wobei jeder Superpixel durchGenerating a two-dimensional array of superpixels, each superpixel passing through
Erzeugen von wenigstens fünf Pixelsensoren (14-1) an einer Substratoberfläche eines Substrats (16) ;Producing at least five pixel sensors (14-1) on a substrate surface of a substrate (16);
Aufbringen von den wenigstens fünf Pixelsensoren zugeordneten Filterstrukturen (12-1) jeweils mit einer strukturierten Schicht des CMOS-Prozesses aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial auf die we- nigstens fünf Pixelsensoren (14-1), die jeweils ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die zugeordnete Filterstruktur zu dem zugeordneten Pixel- sensor (14-1) ergibt als für den Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen;Application of filter structures (12-1) assigned to the at least five pixel sensors in each case to a structured layer of the CMOS process made of metal or polycrystalline semiconductor material. at least five pixel sensors (14-1), each responsive to electromagnetic radiation of a wavelength range, providing higher transmission through the associated filter structure to the associated pixel sensor (14-1) than wavelengths surrounding the wavelength range;
erzeugt wird, wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile des CMOS-Prozesses sind.wherein the generating and applying are parts of the CMOS process.
38. Multispektraler Bildsensor zur Erfassung eines zweidimensionalen Bildfeldes, mit38. Multispectral image sensor for detecting a two-dimensional image field, with
einem mittels eines CMOS-Prozesses hergestellten Zei- lensensor mit einer Mehrzahl eindimenional angeordneten Sensorelementen (11) zum spektralen Erfassen einer geometrischen Linie, wobei jedes Sensorelementa line sensor manufactured by means of a CMOS process with a plurality of sensor elements (11) arranged in a linear manner for the spectral detection of a geometrical line, each sensor element
einen Pixelsensor (14) unda pixel sensor (14) and
eine Filterstruktur (12) mit wenigstens einer strukturierten Schicht des CMOS-Prozesses aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines dem Sensorelement zugeordneten Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die Filterstruktur zu dem Pixelsensor (14) ergibt als für den zugeordneten Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen,a filter structure (12) having at least one patterned layer of the CMOS process of metal or polycrystalline semiconductor material which, in response to electromagnetic radiation of a wavelength range associated with the sensor element, results in a higher transmission through the filter structure to the pixel sensor (14) than wavelengths surrounding the associated wavelength range .
wobei jedem Sensorelement (11) ein anderer Wellenlängenbereich zugeordnet ist und wobei die Sensorelemente gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (16) integriert sind; undwherein each sensor element (11) is assigned a different wavelength range and wherein the sensor elements are integrated together on a semiconductor substrate (16); and
einer Einrichtung zum Abbilden einer Linie aus dem zweidimensionalen Bildfeld auf den Zeilensensor; und einer Einrichtung zum Bewirken, dass eine auf den Zeilensensor abgebildete Linie das zweidimensionale Bildfeld durchläuft.means for mapping a line from the two-dimensional image field onto the line sensor; and means for causing a line imaged on the line sensor to traverse the two-dimensional image field.
39. Multispektraler Bildsensor nach Anspruch 38, bei dem eine auf den Zeilensensor abgebildete Linie parallel zu dem Zeilensensor verläuft.39. The multi-spectral image sensor according to claim 38, wherein a line imaged on the line sensor is parallel to the line sensor.
40. Multispektraler Bildsensor nach Anspruch 38 oder 36, bei dem die Einrichtung zum Bewirken, dass eine auf den Zeilensensor abgebildete Linie das zweidimensionale Bildfeld durchläuft, ein Förderband ist.The multi-spectral image sensor of claim 38 or 36, wherein the means for causing a line imaged on the line sensor to traverse the two-dimensional image field is a conveyor belt.
41. Multispektraler Bildsensor nach Anspruch 38 oder 36, bei dem die Einrichtung zum Bewirken, dass eine auf den Zeilensensor abgebildete Linie das zweidimensionale Bildfeld durchläuft, ein an einer Drehachse aufgehängtes, elektromagnetische Strahlung reflektierendes Element ist.41. A multi-spectral image sensor according to claim 38 or 36, wherein the means for causing a line imaged on the line sensor to pass through the two-dimensional image field is an electromagnetic radiation-reflecting element suspended from an axis of rotation.
42. Multispektraler Bildsensor nach Anspruch 41, bei dem die Drehachse des reflektierenden Elements parallel zu dem Zeilensensor liegt.42. The multispectral image sensor of claim 41, wherein the axis of rotation of the reflective element is parallel to the line sensor.
43. Multispektraler Bildsensor nach Anspruch 41 oder 39, bei dem das reflektierende Element einen Spiegel oder ein Metall aufweist.43. A multi-spectral image sensor according to claim 41 or 39, wherein the reflective element comprises a mirror or a metal.
44. Verfahren zur Erfassung eines zweidimensionalen Bildfeldes, mit folgenden Schritten:44. Method for capturing a two-dimensional image field, comprising the following steps:
Anordnen eines mittels eines CMOS-Prozesses hergestellten Zeilensensors mit einer Mehrzahl eindimenio- nal angeordneten Sensorelementen (11) zum spektralen Erfassen einer geometrischen Linie, wobei jedes Sensorelement einen Pixelsensor (14) und eine Filterstruktur (12) mit wenigstens einer strukturierten Schicht des CMOS-Prozesses aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial aufweist, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines dem Sensorelement zugeordneten Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die Filterstruktur zu dem Pixelsensor (14) ergibt als für den zugeordneten Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen, wobei jedem Sensorelement (11) ein anderer Wellenlängenbereich zugeordnet ist und wobei die Sensorelemente gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (16) integriert sind;Arranging a line sensor produced by means of a CMOS process with a plurality of sensor elements (11) arranged in a dimentional manner for the spectral detection of a geometric line, each sensor element having a pixel sensor (14) and a filter structure (12) with at least one structured one Layer of the CMOS process of metal or polycrystalline semiconductor material, which in response to electromagnetic radiation of the sensor element associated wavelength range, a higher transmission through the filter structure to the pixel sensor (14) results as for the associated wavelength range surrounding wavelengths, each sensor element (11) a associated with other wavelength range and wherein the sensor elements are integrated together on a semiconductor substrate (16);
Abbilden einer Linie aus dem zweidimensionalen Bildfeld auf den Zeilensensor; undImaging a line from the two-dimensional image field onto the line sensor; and
Bewirken, dass eine auf den Zeilensensor abgebildete Linie das zweidimensionale Bildfeld durchläuft.Causing a line imaged on the line sensor to traverse the two-dimensional image field.
45. Multispektraler Bildsensor zur Erfassung eines zweidimensionalen Bildfeldes, mit45. Multispectral image sensor for detecting a two-dimensional image field, with
einem mittels eines CMOS-Prozesses hergestellten Su- perpixel (42) mit wenigstens fünf Sensorelementen (11) zum spektralen Erfassen eines Punkts des zweidimensionalen Bildfeldes, wobei jedes Sensorelementa superpixel (42) produced by means of a CMOS process, having at least five sensor elements (11) for spectrally detecting a point of the two-dimensional image field, each sensor element
einen Pixelsensor (14) unda pixel sensor (14) and
eine Filterstruktur (12) aufweist, mit wenigstens einer strukturierten Schicht des CMOS-Prozesses aus Metall oder polykristallinem Halbleitermaterial, die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines dem Sensorelement zugeordneten Wellenlängenbereichs eine höhere Transmission durch die Filterstruktur zu dem Pixelsensor (14) ergibt als für den zugeordneten Wellenlängenbereich umgebende Wellenlängen, wobei jedem Sensorelement (11) ein anderer Wellenlängenbereich zugeordnet ist und wobei die Sensorelemente gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (16) integriert sind; unda filter structure (12) comprising at least one patterned layer of the CMOS process of metal or polycrystalline semiconductor material which, in response to electromagnetic radiation of a wavelength range associated with the sensor element, results in a higher transmission through the filter structure to the pixel sensor (14) than for the associated wavelength range surrounding wavelengths, wherein each sensor element (11) is assigned a different wavelength range and wherein the sensor elements are integrated together on a semiconductor substrate (16); and
einer Einrichtung zum Abbilden des Punkts aus dem zweidimensionalen Bildfeld auf das Superpixel; undmeans for mapping the point from the two-dimensional image field onto the superpixel; and
einer Einrichtung zum Bewirken, dass ein auf das Su- perpixel abgebildeter Punkt das zweidimensionale Bildfeld durchläuft. means for causing a dot imaged on the superpixel to traverse the two-dimensional image field.
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