Röntgen-Bildsensor
Ein Wafer pro Sensor
Ein neuer hochauflösender Wafer-Scale-Bildsensor für medizinische Röntgengeräte wird aus einem vollständigen 200-mm-Wafer hergestellt.
Das britische Rutherford Appleton Laboratory (RAL) des Science and Technology Facilities Council (STFC) hat einen neuartigen hochauflösenden wafer-scale-Bildsensor zum Einsatz bei medizinischen Untersuchungen entwickelt. Ein grundlegender Aspekt bei der Entwicklung dieses CMOS-Imagesensors durch die »CMOS Sensor Design Gruppe« war die Verwendung von speziellen Analogtools von Tanner EDA. Mit den Maßen von 120 mm x 145 mm und produziert unter effektiver Nutzung eines ganzen 200-mm-Siliziumwafers wurde der neue Bildsensor von TowerJazz hergestellt.
Der neue Sensor wurde vornehmlich für die Bildgebung beim Röntgenverfahren und speziell für die Mammographie und digitale Tomographie entwickelt. Letztere Diagnosetechnik erzeugt 3D-Abbildungen von Patienten oder gescannten Objekten.
Da bei der CMOS basierten Bildverarbeitung von Röntgenanwendungen keine Linsen benutzt werden, muss die Größe des Bildsensors der Größe des Zielgebietes entsprechen. Bei manchen Anwendungen, etwa Panoramaaufnahmen der Zähne von außerhalb der Mundhöhle, reicht gewöhnlich ein Sensor mit den Maßen 139 mm x 120 mm aus. Allerdings genügt dies häufig nicht. Zum Beispiel bei Mammographien wird ein Sensor von ungefähr 290 mm x 240 mm Größe benötigt, bei Brustaufnahmen muss der Sensor sogar noch größer sein. Bei anderen Anwendungen etwa bei Körperscans für Sicherheitszwecke kann eine noch größere Sensorfläche erforderlich sein.
Eine Besonderheit des hier realisierten Verfahrens besteht darin, dass bis an die Kanten von drei Seiten des Bildsensors abtastende Bildpunkte angeordnet sind. Das macht es möglich, dass zahlreiche auf einem 200-mm-Wafer produzierte Sensoren kaskadiert paarweise angeordnet werden könne. So bilden sie eine große Bildfläche und genügen auf diese Weise den Anforderungen der Mammographie. Prinzipiell lassen sich also Sensor-Anordnungen in der Größe von 2 x n zusammenstellen; auf diese Weise ist das Verfahren geeignet für Anwendungen, die eine größere Fläche abdecken müssen, etwa Brustuntersuchungen oder Sicherheitsscans.
Üblicherweise sind bei CMOS-Bildsensoren die erforderlichen elektronischen Schaltkreise auf zwei Seiten des Bildbereiches angeordnet, um die einzelnen Sensorpunkte zu erreichen. Um dieses dreiseitige Kacheldesign zu erreichen, hat die STFC-CMOS-Sensor-Design-Group neue IP (Intellectual Property) entwickelt, um die notwendigen Funktionen des Bildpunkteauslesens auf genau eine Kante jedes Sensors zu platzieren.
Der als Full-Custom-Design erstellte Sensor mit einer Fokusebene von 139,2 mm x 120 mm hat 6,7 Millionen (2800x2400) Bildpunkte, 32 analoge Ausgänge und eine programmierbare Ausgabefläche. Jeder Bildpunkt ist auf der Grundlage einer Three-Transistor-Basis (3T) konstruiert und mit einer rauscharmen Photodiode versehen, die per Charge-Binning- Fähigkeit gewählt wurde. Dies ermöglicht eine hohe Qualität des Rauschabstandes. Entsprechend unterstützt der Sensor eine Bildfrequenz von 40 Bildern pro Sekunde (40 fps) bei voller Auflösung. Durch die hohe Bildfrequenz eignet sich der Sensor besonders für Anwendungen, bei welchen in kurzer Zeit zahlreiche Bilder verarbeiten werden müssen, wie bei der digitalen Tomographie, die im medizinischen Bereich immer größere Bedeutung gewinnt.
Die Sensor-Design-Group arbeitete mit Tanner EDA und dem europäischen Vertriebspartner EDA Solutions zusammen, um die Pixel-Addressing-IP zu entwickeln, die fast ausschließlich analoge Schaltkreise verwendet nebst einem kleinen Anteil digitaler Logik. Dabei kam die Entwicklungsumgebung »Tanner Tools Pro« in der Verbindung mit »HiPer Verify« zum Einsatz. Tanner Tools Pro ist eine Software für Design, Layout und Verifikation von Analog-, Mixed-Signal-, HF- und MEMS-ICs. Die Tools umfassen vollständig integrierte Front-end- und Back-end-Werkzeuge einschließlich Schaltplaneingabe, Simulation, Darstellen der Wellenform, physisches Layout und Verifikation. HiPer Verify dient dem Verifizieren der Designregeln für Analog- und Mixed-Signal-IC-Design und der Extraktion hierarchischer Netzlisten. Bei der Fertigung bei TowerJazz kam eine 180/350-nm-Dualgate-CMOS Image-Sensor-Fertigungstechnik (CIS) auf 200-mm-Wafern zum Einsatz.
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