Auf extreme Temperaturen vorbereitet CMOS-Bildsensor erträgt bis zu 115 °C

Der CMOS-Sensor lässt sich direkt an einen elektronischen Bildverstärker anschließen.

Bildsensoren, die zur Qualitätskontrolle in der Produktionstechnik oder für elektronische Einparkhilfen in Autos verwendet werden, müssen hitzebeständig sein - schließlich herrschen dort oft sehr hohe Temperaturen. Forscher haben jetzt einen CMOS-Chip gefertigt, der bei 115 °C noch funktioniert.

Immer mehr Automobilhersteller statten ihre Fahrzeuge mit Bildsensoren aus - etwa um Fußgänger, Fahrzeuge im toten Winkel und Bordsteine für elektronische Einparkhilfen zu erkennen. Die Sensoren müssen auch bei extrem hohen Temperaturen und in gleißendem Sonnenlicht funktionieren. Sind sie etwa am Rückspiegel oder auf dem Armaturenbrett angebracht, können sie sehr heiß werden.

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg hat daher im Auftrag eines Industriekunden einen CMOS-Bildsensor entwickelt, der Umgebungstemperaturen von -40 bis +115 °C standhält. »Bislang erhältliche CCD-Bildsensoren versagen ab etwa 60 °C«, erläutert Werner Brockherde, Abteilungsleiter am IMS. »Unser Chip dagegen ist nicht nur hitzebeständig, er funktioniert auch bei arktischen Temperaturen.«

Den Forschern ist es gelungen, Pixel zu entwickeln, die einen besonders geringen Dunkelstrom aufweisen. Dieser Reststrom, der bei vollständiger Dunkelheit fließt, ermöglicht Brockherde zufolge auch bei großer Hitze qualitativ gute Aufnahmen. »Einen niedrigen Dunkelstrom zu erzielen, war keine leichte Aufgabe«, verdeutlicht er. »Erhöht sich die Temperatur um 8 °C, so verdoppelt das den Dunkelstrom - Bildrauschen und reduzierte Dynamik sind die Folge. Geisterbilder entstehen, die sich in Form von Artefakten oder flächigen Abbildungen störend auf dem Bild bemerkbar machen.«

Eine weitere Besonderheit des Sensors ist seine Bildgröße von 2,5 x 2,5 cm. Der Vorteil: »Für Anwendungen mit schwacher Beleuchtung oder für Aufnahmen im Infrarot- oder UV-Bereich lässt sich der Sensor direkt an einen elektronischen Bildverstärker anschließen«, wie Brockherde betont.

Der Sensor löst mit 256 x 256 Bildpunkten auf. Sein Dynamikbereich bzw. Belichtungsspielraum von 90 dB sorgt für großen Kontrastumfang und hohe Detailgenauigkeit sowohl in Schatten- als auch in sehr hellen Bereichen. Lichtnuancen werden präzise wiedergegeben. Selbst bei schwachen Lichtverhältnissen reagiert der Sensor mit hoher Empfindlichkeit, so dass er sich auch für Nachtsichtgeräte eignet.

Darüber hinaus unterstützt der Chip sowohl Kameras mit Synchron- als auch mit Asynchron-Verschluss: Der synchrone Verschluss verhindert Bewegungsartefakte, etwa beim Aufnehmen schneller Bewegungen, so dass sich die Bewegungsunschärfe reduziert. Der Schlitzverschluss dagegen erlaubt eine höhere Bildrate und kontinuierliche Bildaufnahme, was das Bildrauschen minimiert. »Wir haben den Sensor in einem Standardprozess mit 0,5-µm-CMOS-Technik in unserer eigenen Halbleiterfabrik hergestellt«, führt Brockherde aus. »Für Industriekunden fertigen wir dort auch Sonderbauelemente.«

Außer dem Automobilsektor hat der Wissenschaftler noch weitere Märkte im Blick: »Unser Chip eignet sich auch für den Einsatz in Produktionsanlagen der chemischen oder der Stahlindustrie, wo er zur Prozess- und Qualitätskontrolle dienen kann«, sagt er. »In einer Walzstraße beispielsweise, wo Bleche gepresst werden, herrschen ja sehr hohe Temperaturen.«

Zu sehen ist der CMOS-Bildsensor auf der Messe Vision in Stuttgart vom 9. bis zum 11. November 2010 (Stand 6 D12).