Microssistemas de visoJoo Paulo Carmo University of Minho, Dept Industrial Electronics R&D Centre ALGORITMI Micro/Nanotechnologies and Biomedical Applications Groupjcarmo@dei.uminho.pt

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Elementos bsicos de um sistema de captura de imagens Paradasfotes lente sensor

sada

sensor de imagem

cmara

Nosso foco de estudo

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device Existem duas regies: - a regio foto-activa - a regio de de transmisso, feita por shift registers (a propriedade do CCD)

Basicamente uma imagem projectada por uma lente num array de condensadores (a rea foto-activa), ocorrendo a acumulao de carga elctrica proporcional intensidade luminosa nesse local do array.

Depois de um certo tempo vai ocorrer a transmisso de carga entre condensadores adjacentes de uma mesma linha. No ltimo condensador faz-se a converso carga-tenso e ADC ou directamente para video analgico (PAL)

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device

Tipos de sensores de imagem

CCD Charge-Coupled Device no ltimo condensador que se faz a converso carga-tenso e ADC ou directamente para video analgico (PAL)

Tipos de sensores de imagemCCD Charge-Coupled Device Os circuitos de leitura no CCD so muito diferentes do CMOS. (a) No CCD, os dados de transduo nos diferentes pixeis so transferidos sequencialmente entre pixeis vizinhos at sada do array em direco ao circuito de converso carga-tenso-ADC (ou vdeo analgico) (b) No CMOS, os pixels os pixeis so acedidos aleatriamente como se de uma RAM se tratasse

Tipos de sensores de imagemCCD

No existe possibilidade de integrar no mesmo chip, CCD com CMOS ou BiCMOS

Tipos de sensores de imagemCCD Efeitos adversos

Fluorescncia no h um isolamento bom entre pixeis vizinhos devido ao crosstalk que se propagou no substrato

Tipos de sensores de imagemCCD Efeitos adversos

Manchas mau isolamento entre pixeis vizinhos devido a um substrato partilhado

Tipos de sensores de imagemCMOS Arquitectura tpica

Contrariamente ao CCD, no CMOS possvel ler a informao de cada pixel Individual A converso carga-tenso feita directamente no pixel

Tipos de sensores de imagemCMOS

possvel integrar o sensor de imagem com a restante electrnica no mesmo chip

Tipos de sensores de imagemCMOS H imensas vantagens da integrao do sensor de imagem CMOS com a restante electrnica no mesmo chip

Tipos de sensores de imagemCMOS Possibilidades de implementar o fotodetector (fotododo) - Passivo (PPS Passive Pixel Sensor) - Activo (fotododo de juno PN, fotogate, fototransstor, APD) APS Active Pixel Sensor Exemplos: (a) PPS, (b) APS arq. 3T (c) APS com converso AD

Tipos de sensores de imagemCMOS Exemplo de chip completo (imager + electrnica de controlo e proc.)

O silcio como elemento fotosensorGerao de pares electro-lacuna no fotododo

-Se a energia do foto for maior que a energia de gap do material, d-se a produo de um par electro-lacuna - Quanto menor a energia (maior ) do foto mais ele penetra em profundidade - A juno PN utilizada para capturar o par electro-lacuna gerado - Idealmente toda a carga gerada poderia ser capturada, independentemente da profundidade, contudo, na maior parte das vezes s a carga gerada na regio de depleo (RD) capturada (por causa do auto-potncial, Vbi) - As cargas geradas fora recombinam-se antes de atingirem a RD

O silcio como elemento fotosensorGerao de pares electro-lacuna no fotododo

aumento do comprimento de onda aumento energia do foto

Fotodetectores de silcio em tecnologia CMOSCMOS Conceitos importantes - Responsividade: relaciona a corrente gerada em funo da potncia ptica Rph=IL/P0 - Eficincia quntica: rcio entre os fotoportadores e o nmero de fotes Q=[IL/e] / [P0/(h)] A queda abrupta devida energia de gap Eg do material No silcio, Eg=1.107 eV para um =1.12 m Se a energia do foto for menor que Eg no vai haver produo de carga, e muito menos tenso na sada, logo sensibilidade NULA

aumento da energia do foto aumento do comprimento de onda

Fotodetectores de silcio em tecnologia CMOSCMOS Conceitos importantes (continuao)

- Corrente negra: existncia de tenso sada na ausncia de luz - Rudo impulsional: devido a flutuaes no nmero de electres e fotes - Rudo trmico: devido temperatura ser no nula (em Kelvin) - Crosstalk: acoplamentos de carga entre pixeis vizinhos atravs do substrato - Fill-factor: factor de preenchimento = rea fotosensora / rea total - Fixed pattern noise: rudo FPN - Gama dinmica: razo entre o nvel de saturao do pixel e o plano de rudo - Pitch: espaamento entre pixeis adjacentes - Relao sinal-rudo: rcio entre a potncia do sinal e a potncia da corrente negra

Tipos de fotododos em CMOS

O dodo n+/p-epilayer o que permite um factor de preenchimento maior Mas o que tem menor isolamento entre pixeis vizinhos (maior crosstalk)

Tipos de fotododos em CMOS

Processo CMOS do DIMES

Comparao CCD - CMOS

Comparao CCD - CMOS

Comparao CCD - CMOS

Comparao CCD - CMOS

Sensores de imagem CMOSArquitectura genrica

Sensores de imagem CMOSCircuitos de leitura de um pixel APS active pixel sensor - Circuito de 3 transstores (pixel do tipo 3T)

- S/HS: Sample-and-hold signal - S/HR: Sample-and-hold reset

Sensores de imagem CMOSCircuitos de leitura de um pixel APS active pixel sensor - Cancelamento da tenso de offset dos circuitos de leitura (amplificao CDS)

S/H

S/H

Sensores de imagem CMOSCircuitos de leitura de um pixel (continuao) - Circuito de 4 transstores com porta de transmisso (TG)

Evita transferncia de carga incompleta a partir do fotododo

Sensores de imagem CMOS- Circuito de 4 transstores com porta de transmisso (TG) (continuao)

Sensores de imagem CMOS- Circuito de 1.5 transstores Sistema inventado pela Canon: Takahashi, IEEE JSSC, 39, 2417-24.

Sensores de imagem CMOS- Arquitectura ao nvel do chip Horizontal=512 pixeis Vertical=512 pixeisRow decoder

Exemplo: - 20 frames por segundo - 512x512 pixeis (=256 kPixeis) - 8 bits por pixel Frow=512x20=10.24 kHz

512x20 samples/seg/column

5x8 Mbps=40 Mbps 5 Msamples/seg Fcolumn=512x20=10.24 kHz 512x20x512 samples/seg =5 Msamples/seg

Sensores de imagem CMOS- Arquitectura ao nvel da coluna Mesmo exemplo: - 20 frames/seg - 512x512 pixeis (=256 kPixeis) - 8 bits por pixel Vertical=512 pixeisRow decoder

Horizontal=512 pixeis

Frow=512x20=10.24 kHz

512x20 samples/seg/column

512x20 samples/seg/column

512x20x8 bps/column= =80 kbps/column

512x80 kbps =40 Mbps/seg Fcolumn=512x20=10.24 kHz

Sensores de imagem CMOS- Arquitectura ao nvel do pixel Horizontal = 512 pixeis Vertical = 512 pixeis 20x8=160 bps 20 samples/seg 160 bps Mesmo exemplo: - 20 frames/seg - 512x512 pixeis (=256 kPixeis) - 8 bits por pixel 512x80 kbps=40 Mbps 160x512 bps=80 kbps/column Se Nbits=8, 20 frames/seg, Resoluo=10 Mpixeis

Data-rate=1.56 Gbps !!

Sensores de imagem CMOS- Problemas nos circuitos de leitura Mantendo as especificaes anteriores - 20 frames/seg, 512x512 pixeis (=256 kPixeis), 8 bits por pixel

t1=1/20=50 mseg (20 Hz) Se por exemplo t2=1/20.t1 Ento t2=1/400=2.5 mseg (400 Hz) necessrio que hajam circuitos de diviso de frequncia a partir de um relgio principal para que hajam s diversos sinais de controlo com os respectivos timings e desfasamentos Se Nbits=8, 20 frames/seg, Resoluo=10 Mpixeis

Data-rate=1.56 Gbps !!

Sensores de imagem CMOS- Rudo FPN (Fixed Pattern Noise) Presente nas arquitecturas ao nvel do chip e da coluna

Sensores de imagem CMOS- Minimizao (subjectiva para o humano) do rudo FPN - Por comutao aleatria de colunas Matriz de comutao constituda por clulas unitrias nxn

clula unitria 4x4Control Stage 2

Control Stage 1

Sensores de imagem CMOS- Rudo FPN Simulao de rudo FPN com desvio padro igual a 1 e matriz 4x4

Sensores de imagem CMOS- Rudo FPN Simulao de rudo FPN com desvio padro igual a 2 e matriz 4x4

Sensores de imagem CMOS- Rudo FPN Simulao de rudo FPN com desvio padro igual a 4 e matriz 4x4

Sensores de imagem CMOS- Rudo FPN Simulao de rudo FPN com desvio padro igual a 8 e matriz 4x4

Filtros pticos- Filtro de Bayer o padro mais adequado para o visvel, pois que se aproxima mais do olho Humano, cuja retina tem mais cilindros (mais sensveis ao verde) do que cones

GnR

R

B

GnB

Filtros pticos1 - Como obter um filtro ptico? Atravs de deposies de camadas dielctricas sucessivas A deposio feita por CVD

2 Que materiais usar? SiO2 e TiO2 Estes materiais so duros, extremamente difceis de remover do substrato. Baixo/alto ndices de refraco, intercaladamente ndice de refraco do SiO2 praticamente constante no visvel 1.47-1.45 ndice de refraco do TiO2 elevado (~3.0), compatvel com o silcio e processo de deposio bem caracterizado

Filtros pticosExemplos de filtros pticos, simulados no programa TFcalc

Filtros pticosExemplos de filtros pticos, simulados no programa TFcalc (continuao)

Exemplos de microssistemas pticosMicrolab

Exemplos de microssistemas pticosMicrolab (continuao) Sistema completo

Exemplos de microssistemas pticosMicrodetectores de raios-X

Os 2 fotododos de cima foram revestidos com 700 nm de SiO2 e os 2 de baixo com 700 nm de Si3N4.

Exemplos de microssistemas pticosMicroespectrmetros para a luz visvel (com espelho mvel e em etalon)

Exemplos de microssistemas pticosMicroespectrmetro para a luz visvel (continuao)

Exemplos de microssistemas pticosMicroespectrmetro para a luz visvel (continuao) - Adelgar a camada de passivao - Depositar 20 nm de alumnio por sputtering - Padronizar o Al por lift-off - Depositar SiO2 por CVD at espessura do maior espaamento entre espelhos (xido PECVD) - Usando 4 mscaras, corroer o xido PECVD por RIE durante 4 intervalos de tempo (T, T/2, T/4 e T/8)

Obrigado pela ateno dispensada