Mixed Signal CMOS ASIC mit integrierten frei verschaltbaren Photodioden und Signalvorverarbeitung zur adaptierbaren Ortsfrequenzfilterung

Die vorliegende Arbeit untersucht die Integrierbarkeit von Photodioden und zugehörigen Signalvorverarbeitungen mit dem preisgünstigen Standard-0,5-µm-Prozess bzw. 0,35-µm-CMOS-Prozess. Als Pilotanwendung wurde die Realisierung eines flexiblen Ortfrequenzfilters vorgesehen, der durch die Verschaltung und die Wichtung von integrierten Photodioden gebildet wird. Mit einem integrierten optoelektronischen Bauteil (Opto-ASIC) sollte die Funktionaliät eines CORREVIT®-Sensors (der Firma Corrsys 3D Sensors) aus Prismengitter, Feldlinse, Photodioden und Vorverstärker nachgebildet und seine Funktionalität erweitert werden. Dazu sollte dieser Opto-ASIC eine Photodiodenzeile enthalten, die im Unterschied zu dem bestehenden CORREVIT®-Sensor durch die programmierbare Verschaltung und die Wichtung der Signale der Photodioden unterschiedliche Ortsfrequenz-Bandpassfilter erzeugen sollte, um unterschiedliche Gitterkonstanten (Ortsfrequenzen) zur optimalen Anpassung des Sensors an die jeweilige Oberfläche realisieren zu können. Neue Ortsfrequenzfilter können mehrere Fehlereinflüsse handelsüblicher Sensoren größtenteils vermeiden. Dazu sollten die Filter symmetrisch sein und die Summen ihrer Wichtungen sollten zu Null werden. Die Photodioden als Elementarbauteile der Ortsfilter werden genau untersucht und optimiert, da die Eigenschaften der Photodioden die Qualität der Messsignale stark beeinflussen. Mit einem neuen entwickelten Messverfahren lässt sich die lokale Empfindlichekeit auf dem ASIC mit einer Auflösung ab 0,5 µm messen. Durch diese Messungen konnte die optimale Geometrie festgelegt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit der Photodioden in den Randbereichen (lateraler Bereich) erheblich höher ist als im Tiefenbereich (vertikaler Bereich). Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Photodioden, die dann abhängig von der Struktur als Fingerdiode oder geschlitzte Diode bezeichnet wurden, in viele Teilflächen zu unterteilen. Zur Realisierung des Ortsfrequenzfilters wurde ein Schaltungssystem zur Signalverarbeitung und Verschaltung der Photodioden entwickelt. Dieser Schaltkreis setzt sich aus Transimpedanzverstärker, Diffenzverstärker, Schalter und einem Schieberegister zusammen.

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Chemical gas sensors based on functionalized self-actuated piezo-resistive cantilevers

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Anwendung funktionalisierter Mikrocantilever mit integrierter bimorpher Aktuation und piezo-resistiver Detektion als chemische Gassensoren für den schnellen, tragbaren und preisgünstigen Nachweis verschiedener flüchtiger Substanzen. Besondere Beachtung erfährt die Verbesserung der Cantilever-Arbeitsleistung durch den Betrieb in speziellen Modi. Weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von spezifischen Sorptionswechselwirkungen und Anwendung von innovativen Funktionsschichten, die bedeutend auf die Sensorselektivität wirken.