WO2019024965A1 - Sensor-chip für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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Wilfried Mehr
Theodor Maier
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Continental Automotive Gmbh
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    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates to environment sensors for driver assistance systems, such as a sensor or detector chip for flash lidar applications or scanning applications in motor vehicles.
  • the present invention relates to a sensor or detector ⁇ chip for a motor vehicle, wherein the sensor chip is formed as a monolithic semiconductor chip or a monolithic semiconductor substrate.
  • Sensor or detector chips for flash lidar applications for motor vehicles are nowadays formed in hybrid technology, in which different semiconductor materials are used.
  • sensors it is often necessary to use other materials or alternative materials to silicon-based material systems.
  • gallium arsenide or indium phosphide or germanium based sensors may be combined with a readout circuit based on silicon or CMOS technology.
  • InGaP detectors are connected to a silicon-based readout circuit.
  • Hybridization represents an error-prone and expensive process step.
  • indium gallium phosphide (InGaP) based sensors are expensive due to the material.
  • Scanning systems are any line or raster-like sweeping or surface illumination of surfaces or bodies with a laser beam in order to measure them or to create an image.
  • a first aspect of the present invention relates to a sensor chip for a motor vehicle implemented scanning system, wherein the sensor chip is formed as a monolithic semiconductor substrate and the sensor chip comprises: a Detek ⁇ torfeld boots which is designed to electromagnetic ⁇ tables To convert radiation into a sensor signal; and a readout circuit means adapted to condition the sensor signal provided by the detector array means and to convert it to an electrical output signal.
  • the present invention advantageously makes it possible to provide a monolithic one-chip system solution, which includes the integration of all the required functions of one Imaging sensor on a chip, in other words, the integration of a flat in field geometry extended image sensor with an associated readout or readout electronics.
  • the present invention allows the use of silicon as a base material for both the detector and the readout electronics.
  • the sensor on the front and the read-out circuit or read-out electronics are integrated on the front and back of the single-chip system.
  • the detector array means is adapted to electromagnetic radiation having a Wel ⁇ len couple of more than 800 nm, or preferably of more than 900 nm, or more preferably of more than 1000 nm, or most preferably of more than 1300 nm, or more preferably more than 1500 nm, into a sensor signal.
  • the read-out circuit device is designed to perform a transit time analysis of backscattered laser signals and to perform a distance measurement based on the transit time analysis.
  • the camera chip may be coupled to a laser source which produces laser signals, which sends laser light from ⁇ , which is scattered back ⁇ from the surroundings of the motor vehicle, and can sersignalen based on these backscattered laser a runtime analysis, and thus an optical distance and / or speed measurements of objects in the vicinity of the motor vehicle.
  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • Image sensor are performed.
  • the detector field device comprises a field of single-photon avalanche diodes and / or a field of pin diodes and / or a field of MEMS-based infrared sensors.
  • the abbreviation pin diode denotes an elec ⁇ cal device, which is similar to a pn diode, wherein between the p- and n-doped layer additionally a weakly or undoped layer, abbreviated i- for English intrinsic layer is present. This layer is merely intrinsic, ie intrinsic, and is therefore called i-layer.
  • MEMS Microelectromechanical Systems
  • the abbreviation MEMS designates "Microelectromechanical Systems” as an English term and describes a miniaturized component or component whose dimensions are in the micrometer range, whereby a thermal or infrared sensor can be realized.
  • the detector field device is made of silicon as a base material.
  • the detector array means comprises silicon or is designed as a silicon-based electronics with further Dotierma ⁇ terialien.
  • the readout circuit device is made of silicon.
  • the detector field device is integrated on one side of the monolithic semiconductor substrate and the read-out circuit device is integrated on the opposite side of the same monolithic semiconductor substrate.
  • the detector field device and the read-out circuit device are integrated on one side of the monolithic semiconductor substrate and the read-out circuit device at least partially encloses the detector field device.
  • Fig. 1 a schematic representation of a conventional realized in hybrid construction camera sensor for a motor vehicle to explain the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a camera chip according to an embodiment of the present invention
  • Environmental sensors are among the most important components for realizing autonomous vehicles. To create a reliable environment model based on the Informa ⁇ tions of the sensor chip, you need different information as to other road users to static objects such as road boundaries, to their own highly accurate position and traffic control. The aim is to enable people to have an understanding of the vehicle environment that is equivalent or better to that of others.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a conventional hybrid sensor of an image sensor for a motor vehicle.
  • the sensor 10-A and the associated readout electronics 20-A are formed on different substrates.
  • the sensor is for example formed on a substrate made of indium-gallium phosphide- ⁇ and the readout electronics and the readout circuit is fabricated in silicon or CMOS technology.
  • FIG. 2 shows a sensor chip for a motor vehicle on a monolithic semiconductor substrate.
  • Fig. 2 shows, for example, one side of the monolithic semiconductor substrate, for example a silicon substrate, wherein a two-dimensional image sensor or a Detek ⁇ torfeld boots 10 is formed which comprises a two-dimensional imaging sensor.
  • the image sensor is designed to convert infrared radiation ⁇ in a sensor signal.
  • the camera chip 1 comprises a detector field device 10 and a readout circuit device 20.
  • the detector field device 10 is designed to convert electromagnetic radiation into a sensor signal.
  • the read-out circuit device 20 is designed to process the sensor signal provided by the detector field device and to convert it into an electrical output signal that can be processed by further systems in the motor vehicle, such as driver assistance systems.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a sensor chip for a motor vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 the one side of a monolithic semi-conductor ⁇ substrate according to an embodiment of the present invention is shown, wherein a Ausleseschal- processing device on this page 20 is implemented.
  • the read-out circuit device 20 comprises, for example, a plurality of bond pads for contacting the read-out circuit for further integration of the one-chip system into further signal-processing systems.
  • motor vehicle includes any motor-driven, non-rail-bound vehicles or, in other words, non-permanently track-guided land vehicles that are moved by machine power.

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Abstract

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

Description

Sensor-Chip für ein Kraftfahrzeug
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Umfeldsensoren für Fahrerassistenzsysteme, etwa einen Sensor- oder Detektor-Chip für Flash Lidar Anwendungen bzw. Scananwendungen im Kraftfahrzeuge.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor¬ bzw. Detektor-Chip für ein Kraftfahrzeug, wobei der Sensor-Chip als ein monolithischer Halbleiterchip bzw. ein monolithisches Halbleiter-Substrat ausgebildet ist.
Technischer Hintergrund
Sensor- oder Detektor-Chips für Flash Lidar Anwendungen für Kraftfahrzeuge werden heutzutage in der Hybridtechnik ausge- bildet, bei welcher unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet werden. Insbesondere beim Einsatz von Sensoren ist es häufig erforderlich, andere Materialien oder alternative Materialien zu Silizium-basierten Materialsystemen zu verwenden. Beispielsweise können Galliumarsenid oder Indiumphosphid oder Germanium-basierte Sensoren mit einer Ausleseschaltung basierend auf Silizium oder CMOS-Technik kombiniert werden.
Für Infrarot Detektoren im Bereich der Kraftfahrzeuge werden beispielsweise Indiumgalliumphosphid, InGaP-Detektoren mit einer Silizium-basierten Ausleseschaltung verbunden.
Dieses Hybridisieren von zwei unterschiedlichen Materialsystemen entspricht eines Zusammenklebens mittels eines Verbin- dungselements . Das Hybridisieren stellt einen fehleranfälligen und aufwendigen Prozessschritt dar. Ferner sind Indiumgalli- umphosphid ( InGaP) -basierte Sensoren aufgrund des Materials teuer .
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Sensor-Chip für Scansysteme, etwa Flash Lidar An- Wendungen, für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Als Scansysteme wird dabei jegliches zeilen- oder rasterartige Überstreichen bzw. flächiges beleuchten von Oberflächen oder Körpern mit einem Laserstrahl bezeichnet, um diese zu vermessen oder um ein Bild zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Sensor-Chip für ein Kraftfahrzeug implementiertes Scansystem, wobei der Sensor-Chip als ein monolithisches Halbleiter-Substrat ausgebildet ist und der Sensor-Chip umfasst: eine Detek¬ torfeldeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, elektromagne¬ tische Strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln; und eine Ausleseschaltungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das von der Detektorfeldeinrichtung bereitgestellte Sensorsignal aufzubereiten und in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, eine mono¬ lithische Ein-Chip-System-Lösung bereitzustellen, dies beinhaltet die Integration aller benötigten Funktionen eines bildgebenden Sensors auf einem Chip, mit anderen Worten ausgedrückt die Integration von einem flächigen in Feldgeometrie ausgedehnten Bildsensor mit einer zugehörigen Ausleseschaltung bzw. einer Ausleseelektronik.
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung die Nutzung von Silizium als Basismaterial sowohl für den Detektor als auch die Ausleseelektronik. Dabei ist der Sensor auf der Vorderseite und die Ausleseschaltung bzw. Ausleseelektronik auf Vorder- und Rückseite des Ein-Chip-Systems integriert.
Dies ermöglicht vorteilhaft, alle Funktionen und benötigten integrierten Schaltungen auf einem einzigen monolithischen Chip zu vereinigen. Dabei können sowohl Sensorfunktionseinheiten als auch digitale, analoge oder sonstige Auswertefunktionseinheiten auf dem Chip integriert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Patentansprüche definiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung mit einer Wel¬ lenlänge von mehr als 800 nm oder bevorzugt von mehr als 900 nm oder besonders bevorzugt von mehr als 1000 nm oder ganz besonders bevorzugt von mehr als 1300 nm oder höchst bevorzugt von mehr als 1500 nm in ein Sensorsignal zu wandeln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausleseschaltungseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit-Analyse von zurückgestreuten Laser-Signalen durchzuführen und basierend auf der Laufzeit-Analyse eine Distanzmessung durchzuführen. Dabei kann der Kamera-Chip mit einer Laserquelle gekoppelt werden, welche Lasersignale erzeugt, welche Laserlicht aus¬ sendet, welches von der Umgebung des Kraftfahrzeugs zurück¬ gestreut wird, und basierend auf diesen zurückgestreuten La- sersignalen kann eine Laufzeitanalyse und somit eine optische Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessungen von Objekten in der Umgebung des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden.
Solch als LIDAR bezeichneten Abstands- und/oder Geschwindig- keitsmessungen, Abkürzung für englisch: Light Detection and Ranging, können somit ortsaufgelöst mit einem flächigen
Bildsensor durchgeführt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Er- findung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung ein Feld von Single-Photon-Avalanche-Dioden und/oder ein Feld von pin-Dioden und/oder ein Feld von MEMS-basierten Infrarotsensoren umfasst. Dabei bezeichnet die Abkürzung pin-Diode ein elekt¬ risches Bauelement, welches ähnlich einer pn-Diode aufgebaut ist, wobei zwischen der p- und n-dotierten Schicht zusätzlich eine schwach oder undotierte Schicht, abgekürzt i- für Englisch intrinsic-Schicht vorhanden ist. Diese Schicht ist lediglich intrinsisch, das heißt eigenleitend, und wird daher i-Schicht genannt .
Die Abkürzung MEMS bezeichnet „Microelectromechanical Systems" als englischen Begriff und beschreibt eine miniaturisierte Baugruppe oder Bauteil, dessen Abmessungen im Mikrometerbereich sind. Dabei kann ein thermischer oder Infrarotsensor realisiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung aus Silizium als Basismaterial hergestellt ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Detektorfeldeinrichtung umfasst Silizium oder ist als Silizium-basierte Elektronik mit weiteren Dotierma¬ terialien ausgeführt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausleseschaltungseinrichtung aus Silizium hergestellt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschaltungseinrichtung auf der gegenüberliegenden Seite desselben monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorfeldeinrichtung und die Ausleseschaltungseinrichtung auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschal- tungseinrichtung die Detektorfeldeinrichtung zumindest teilweise umschließt.
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der Erfindung .
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise ma߬ stabsgetreu zueinander gezeigt.
Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines herkömmlichen in hybrider Bauweise realisierten Kamerasensors für ein Kraftfahrzeug zur Erläuterung der Erfindung;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Kamera-Chips gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und eine schematische Darstellung eines Kamera-Chips gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung .
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist .
Umfeldsensoren zählen zu den wichtigsten Komponenten, um autonom fahrende Fahrzeuge zu realisieren. Um ein verlässliches Umfeldmodell basierend auf den Informa¬ tionen des Sensor-Chips zu erstellen, benötigt man verschiedene Informationen, wie zu anderen Verkehrsteilnehmern, zu statischen Objekten wie Fahrbahnbegrenzungen, zur eigenen hochgenauen Position und zur Verkehrssteuerung. Ziel ist es, ein dem Menschen gleichwertiges oder besseres Verständnis des Fahrzeugumfeldes zu ermöglichen .
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines her- kömmlichen in hybrider Bauweise ausgebildeten Bildsensors für ein Kraftfahrzeug.
Der Sensor 10-A und die zugehörige Ausleseelektronik 20-A sind auf unterschiedlichen Substraten ausgebildet. Der Sensor ist beispielsweise auf einem Indiumgalliumphosphid-Substrat aus¬ gebildet und die Ausleseelektronik bzw. die Ausleseschaltung ist in Silizium- oder CMOS-Technik gefertigt.
Dies erfordert eine Verbindung einer Hybridisierung bzw. ein Verkleben der beiden unterschiedlichen Materialsysteme mittels Verbindungselementen 30-A.
Die Fig. 2 zeigt einen Sensor-Chip für ein Kraftfahrzeug auf einem monolithischen Halbleiter-Substrat .
Die Fig. 2 zeigt beispielsweise eine Seite des monolithischen Halbleiter-Substrats, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, wobei eine zweidimensionale Bildsensor- bzw. eine Detek¬ torfeldeinrichtung 10 ausgebildet ist, welche einen zweidi- mensionalen bildgebenden Sensor umfasst.
Beispielsweise ist der Bildsensor dazu ausgelegt, Infrarot¬ strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln. Der Kamera-Chip 1 umfasst eine Detektorfeldeinrichtung 10 und eine Ausleseschaltungseinrichtung 20.
Die Detektorfeldeinrichtung 10 ist dazu ausgelegt, elektro- magnetische Strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln.
Die Ausleseschaltungseinrichtung 20 ist dazu ausgelegt, das von der Detektorfeldeinrichtung bereitgestellte Sensorsignal aufzubereiten und in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln, welches von weiteren System im Kraftfahrzeug verarbeitet werden kann, etwa Fahrerassistenzsysteme.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensor-Chips für ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung.
In der Fig. 3 ist die eine Seite eines monolithischen Halb¬ leiter-Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei auf dieser Seite eine Ausleseschal- tungseinrichtung 20 implementiert ist.
Die Ausleseschaltungseinrichtung 20 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von Bondpads zum Kontaktieren der Ausleseschaltung zur weiteren Integration des Ein-Chip-Systems in weitere signal- verarbeitende Systeme.
Der Begriff Kraftfahrzeug umfasst jegliche durch einen Motor angetriebene, nicht an Schienen gebundene Fahrzeuge oder, in anderen Worten ausgedrückt, nicht dauerhaft spurgeführte Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise mo- difizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend" und „auf¬ weisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele be¬ schrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche :
1. Sensor-Chip (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei der Sensor-Chip (1) als ein monolithisches Halbleiter-Substrat aus- gebildet ist und wobei der Sensor-Chip (1) umfasst:
- eine Detektorfeldeinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung in ein Sensorsignal zu wandeln; und
- eine Ausleseschaltungseinrichtung (20), welche dazu
ausgelegt ist, das von der Detektorfeldeinrichtung bereitgestellte Sensorsignal aufzubereiten und in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln.
2. Sensor-Chip nach Anspruch 1, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschaltungsein¬ richtung (20) auf einer gegenüberliegenden Seite des monoli- thischen Halbleiter-Substrates integriert ist.
3. Sensor-Chip nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausleseschaltungseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, eine Lauf¬ zeit-Analyse von zurückgestreuten Laser-Signalen durchzuführen und basierend auf der Laufzeit-Analyse eine Distanzmessung durchzuführen .
4. Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) ein Feld von Single-Photon Avalanche-Dioden und/oder ein Feld von pin-Dioden und/oder ein Feld von MEMS-basierten infrarot Sensoren umfasst.
5. Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis
4, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) aus Silizium als Basismaterial hergestellt ist.
6. Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis
5, wobei die Ausleseschaltungseinrichtung (20) aus Silizium hergestellt ist.
7. Sensor-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 800 nm oder bevorzugt von mehr als 900 nm oder besonders bevorzugt von mehr als 1000 nm oder ganz besonders bevorzugt von mehr als 1300 nm oder höchst bevorzugt von mehr als 1500 nm in ein Sensorsignal zu wandeln.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis
6, wobei die Detektorfeldeinrichtung (10) und die Auslese¬ schaltungseinrichtung (20) auf einer Seite des monolithischen Halbleiter-Substrates integriert ist und die Ausleseschal¬ tungseinrichtung (20) die Detektorfeldeinrichtung (10) zumindest teilweise umschließt.
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MENOLFI C ET AL: "256-pixel CMOS-integrated thermoelectric infrared sensor array", PROCEEDINGS OF THE IEEE 14TH. ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS MEMS 2001, 25 January 2001 (2001-01-25), pages 200 - 203, XP032403330, ISBN: 978-0-7803-5998-7, DOI: 10.1109/MEMSYS.2001.906513 *

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