Forschung für die Automobilindustrie Hitze- und kältebeständiger CMOS-Sensorchip

Bildsensoren, die für elektronische Einparkhilfen in Autos oder zur Qualitätskontrolle in der Produktionstechnik verwendet werden, müssen hitzebeständig sein. Forscher des Fraunhofer Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS haben jetzt einen CMOS-Chip gefertigt, der bei Temperaturen von -40 bis +115 °C 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. Dazu haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IMS nun einen CMOS-Bildsensor entwickelt, der Umgebungstemperaturen von -40 bis +115 °C standhält. Bislang erhältliche CCD-Bildsensoren hingegen versagen ab etwa 60 °C.

Den Forschern ist es gelungen, Pixel zu entwickeln, die einen extrem niedrigen Dunkelstrom aufweisen. Dieser Rest-Strom, der bei vollständiger Dunkelheit fließt, ermöglicht selbst bei großer Hitze qualitativ sehr gute Aufnahmen. »Einen niedrigen Dunkelstrom zu erzielen, war keine leichte Aufgabe«, sagt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am IMS. »Erhöht sich die Temperatur um acht Grad, 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: 2,5 x 2,5 cm. Der Vorteil: Für spezielle Anwendungen mit schwacher Beleuchtung oder für Aufnahmen im Infrarot- oder UV-Bereich kann man den Sensor direkt an einen elektronischen Bildverstärker anschließen. Der Sensor löst mit 256 x 256 Pixeln auf. Sein hoher Dynamikbereich beziehungsweise Belichtungsspielraum von 90 Dezibel sorgt für erhöhten Kontrastumfang und optimierte Detailgenauigkeit sowohl in Schatten- als auch in sehr hellen Bereichen. Lichtnuancen werden präzise wiedergegeben. Der Bildsensor reagiert selbst bei schwachen Lichtverhältnissen mit hoher Empfindlichkeit. Er eignet sich daher auch für Nachtsichtgeräte. Darüber hinaus unterstützt der Chip sowohl Kameras mit Synchron- als auch mit Asynchron-Verschluss: Der synchrone Verschluss verhindert Bewegungsartefakte, etwa beim Aufnehmen von schnellen Bewegungen. Die Bewegungsunschärfe wird reduziert. Der Schlitzverschluss hingegen erlaubt eine höhere Bildrate und kontinuierliche Bildaufnahme. Der Effekt: Das Bildrauschen wird minimiert. »Wir haben den Sensor in einem Standardprozess mit 0,5-Mikrometer-CMOS-Technologie in unserer eigenen Halbleiterfabrik hergestellt. Für Industriekunden fertigen wir hier auch Sonderbauelemente«, sagt der Wissenschaftler.

Neben dem Automobilsektor hat er 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 verwendet werden kann. Beispielsweise herrschen in einer Walzstraße, wo Bleche gepresst werden, sehr hohe Temperaturen.«