Ziel der Entwicklung

Logo: FITMOD-Chip_zweite_Generation, © Nikola Maslovara – OUT e.V.
FITMOD-Chip_zweite_Generation, © Nikola Maslovara – OUT e.V.

Das Projekt zielte darauf, einen äußerst kompakten ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) Sensor zum Messen von Strahlungsleistungen mit dem Dynamikumfang von Attowatt- bis in den Milliwatt-Bereich, im Spektralbereich 400 nm – 1100 nm zu schaffen. Besonders rauscharme Messungen sollten über drei unterschiedliche, an verschiedene Lichtverhältnisse angepasste Photodioden-Verstärker-Topologien ermöglicht werden.
Im Bereich der integrierten optischen Detektoren stehen derzeit nur die Lösungen mit linearen, widerstandsbasierten Transimpedanzverstärkern zur Verfügung. Hier sind in den meisten Fällen nur eine Photodiode und ein Transimpedanzverstärker im integrierten Schaltkreis enthalten. Diese Produkte haben daher einen relativ begrenzten Dynamikumfang. Aufgrund der stets existierenden Leckströme im Siliziumsubstrat des klassischen CMOS-Prozesses sind die Messungen im Femto-Bereich nicht möglich, da das Grundrauschen dafür zu hoch ist. Auch das Gruppieren mehrerer Photodioden auf einem Chip ist nur bedingt möglich, da das optische und elektrische Übersprechen Probleme bei der Signalverarbeitung verursachen kann. Verstärkung ist nur in sehr seltenen Fällen variabel. Die Integration von digitalen Schnittstellen und A/D-Wandlern ist in diesem Segment derzeit selten existent und erfordert somit zusätzliche externe Komponenten.
Die große Mehrheit, der auf dem Markt verfügbaren Photodetektoren, wird mit diskreten Verstärkern verschaltet. In der Folge werden dadurch sehr hohe Rauschanteile akkumuliert, was die Detektion von kleinsten Lichtmengen verhindert. Hier sind die Signalwege von ein paar Millimeter bis mehrere Zentimeter lang. Dementsprechend sind auch akkumulierte Rauschanteile und parasitäre Induktivitäten hoch. Aus diesem Grund sind solche Detektoren oft durch Metallgehäuse elektrostatisch und magnetisch geschirmt. Nur so es ist in wenigen Spezialfällen möglich, überhaupt noch Signale aus dem Femtowatt-Bereich zu detektieren. Auf der anderen Seite wird dadurch der Aufbau ungleich größer, schwerer und kostenintensiver, was die Integration insbesondere in platzbegrenzten Anwendungen ausschließt.

Vorteile und Lösungen

Der konkrete Lösungsansatz zur Entwicklung eines vollintegrierten optischen Detektorchips basiert zunächst auf dem Zusammentragen der aktuell am Markt verfügbaren Fertigungstechnologien, die die derzeitigen Rahmenbedingungen und die Realisierungsgrenzen dieses Forschungsprojektes darstellen. Dies beginnt mit dem Sammeln und der Analyse von Informationen der zur Verfügung stehenden, komplett isolierten und somit besonders rauscharmen SOI-Prozessen und Foundries, die diese Technologien in ihren Portfolios den öffentlichen Forschungseinrichtungen anbieten.
Der nächste Schritt stellt das Design des Detektorchips gemäß den gesetzten Projektzielen dar: Die Entwicklung von optimierten Triple-Mode-Detektoren unter Zuhilfenahme des SOI-Prozess-Datensatzes. Die drei zum Einsatz kommenden Verstärker-Betriebsmodi sind:
- Linear für Verstärkungen bis 100 MV/A
- Integrator für Verstärkungen von 100 MV/A bis 1 TV/A
- Logarithmisch für schnelle Änderungen des Lichtpegels in einem breiten Dynamikbereich
Alle drei Varianten sind jeweils mit einer dazugehörigen Photodiode parallel verschaltet und werden vom digitalen Teil des Chips aus angesteuert. Die sogenannten analogen oder bidirektionalen Schalter bestimmen, welcher der drei Verstärker je nach aktuellem Anwendungsszenario mit dem On-Chip-Multiplexer/digitalen Ausgang verbunden wird. Die bidirektionalen Schalter werden ebenfalls vom digitalen Teil des Chips gesteuert. Die Verstärkerausgänge jeder Einheit sind mit einem Multiplexer verbunden, welcher wiederum mit einem analogen Ausgang für etwaige externe A/D-Wandlung oder mit dem integrierten A/D-Wandler verbunden ist. Diese Auswahl erfolgt extern über ein analoges Eingangspad (0 V oder 5 V / „low or high“ Signal) je nach Wunsch des Benutzers. Die Ausgänge des Verstärkers werden vom digitalen Teil des FITMOD-Chips konstant überwacht und verarbeitet. Anhand der ermittelten Werte wählt der digitale Teil direkt die zu den Lichtverhältnissen passende Rückkopplung eines Verstärkers aus. Die Ausgänge des internen A/D-Wandlers werden zur Übertragung der Datenkommunikation mit der SPI- Schnittstelle verbunden.
Zunächst wurde das gesamte Design in kleinere Segmente unterteilt, die dann unabhängig voneinander entwickelt und betrachtet werden können. Dieser Prozess besteht aus den folgenden, zyklisch wiederkehrenden Schritten zur stetigen Optimierung der Effizienz des Detektorentwurfs:
- Design des Chip-Schaltplans und des zugehörigen Testbench-Schaltplans (für Tests und
Simulationen) im Cadence Virtuoso Softwarepaket
- Durchführung der zugehörigen Simulationsläufe
- Verarbeitung und Verbesserung der Schaltpläne basierend auf den Simulationsergebnissen
Nach erfolgreicher Gestaltung aller Segmente wurden diese im sogenannten Top-Level-Schaltplan vereint. Anschließend wurden die Simulationen des gesamten Designs durchgeführt und die etwaigen negativen Auswirkungen eines bestimmten Chipsegments auf ein anderes Segment hin überprüft. Parallel zu diesem Teil des Chipdesigns wurde das Layout des Chips entworfen.
Im nachfolgenden Schritt wurde das Layout des integrierten Schaltkreises in recht rechenzeitaufwendigen Post-Layout-Simulationen getestet und basierend auf diesen Ergebnissen entsprechend weiter optimiert.
Nach Erhalt der ersten gefertigten Chips von der ausgewählten Foundry wurden diese in speziell dafür präparierten Gehäusen integriert. Die so entstandenen, einsatzfähigen Prototypen wurden nachfolgend ausführlich evaluiert. Die Erkenntnisse aus dieser Phase stellen den Ausgangspunkt für die nachfolgende Redesign-Stufe dar, bei der die in der Testphase ermittelten Erkenntnisse berücksichtigt werden.
Inhaltlich gleicht das Redesign stark der ursprünglichen Designphase. Nach erfolgreicher Chipoptimierung und erneuter, wiederholter Überprüfung des Designs folgte schließlich der zweite Foundry-Run.

Zielgruppe und Zielmarkt

Durch die geplante universelle Einsetzbarkeit des entwickelten Chips können viele unterschiedliche Märkte identifiziert werden. Der Chip kann immer dann zum Einsatz kommen, wenn eine Anwendung einen optoelektronischen Sensor erfordert. Der Zielmarkt sind also alle Hersteller von siliziumbasierten optoelektronischen Sensoren, die den Spektralbereich zwischen 400 nm und 1100 nm abdecken.
Im industriellen Bereich soll der FITMOD-Chip sowohl als Handgerätsensor als auch „inline“ in Fertigungsprozessen zur Prozesskontrolle oder in der Qualitätsüberwachung angewendet werden können.
Bei der inline-Farbmessung werden optische Sensoren zur Prozesskontrolle in der Kunststoff- oder Lebensmittelindustrie eingesetzt. Optische inline-Sensoren ermöglichen auch Oberflächeninspektion von lackierten Autokarossen oder in der Luftfahrtindustrie, dabei richtige Farbe und Schichtdicke, oder werden in der Lebensmittelindustrie zur Kontrolle der gleichbleibenden Qualität von Nudelteig verwendet.
Optische Sensoren finden Einsatz auch in industriellen LED-Analysatoren und dienen dort der relativen und / oder absoluten Messung der optischen Eigenschaften von LEDs oder Displays hinsichtlich Farben und Intensitäten sowie für den Test von blinkenden oder PWM LEDs.
Für zuverlässige Objekterkennung und Positionierung an den Produktionslinien und zum Schutz von Personen vor Maschinen in Industriehallen kommen optische Sensoren innerhalb der Lichttaster, Lichtschranken und Lichtvorhänge zum Einsatz.
In der Abwasseraufbereitung wird mittels optischer Sensorik sichergestellt, dass ein bestimmter Grad an Trübung nicht überschritten wird.
Gleiches gilt für die Sicherstellung der Trinkwasserqualität. Für deren Gewährleistung werden wichtige Summenparameter wie Trübung, Farbe oder Ölspuren kontinuierlich durch optische Sensoren überwacht.
Innerhalb der Prozesskontrolle in der Lebensmittelbranche, vor allem in der Getränkeherstellung, kommen optische Sensoren zum Einsatz.
Bei der Herstellung von Softdrinks und Säften wird hochwertiger Flüssigzucker eingesetzt, der sich durch einen besonders niedrigen Farbgehalt auszeichnet. Innerhalb des Entfärbungsprozesses von Flüssigzucker werden ebenfalls sowohl Farb- als auch Trübungsmessungen durch optische Sensoren vorgenommen.
Für die Überwachung von Produktionsflüssigkeiten sind optische Sensoren mit höchster Empfindlichkeit und einer Bandbreite von 0 Hz bis 20 Hz im Einsatz. Anwendungsgebiet und somit ebenfalls Zielmarkt ist die Trinkwasserüberwachung bei Mineralbrunnen, Getränkeabfüllern und Brauereien.
In der chemischen und pharmazeutischen Industrie werden in vielen Prozessen über die bereits erwähnten Messmethoden (Farb- und Trübungsmessungen) hinaus auch Konzentrationen von Stoffen (z. B. Chlor, Kupfer, Phenol) in der Prozesskontrolle bestimmt.
Wird an dieser Stelle auch die petrochemische Industrie in die Betrachtung einbezogen, so liegt der Fokus mehr in der Farbmessung von Diesel und Benzin oder in der Trübung von Flüssiggas. Auch die Trübung zur Wasser- und Partikelbestimmung in Kerosin spielt hier eine große Rolle und wird mittels optischer Sensorik gemessen.
Um einem Anlagenausfall oder einer Umweltbelastung vorzubeugen, arbeiten Kraftwerke ebenfalls mit optischer Sensorik.
In der Rohölproduktion ist die Detektion von Ölspuren – egal ob im Prozesswasser, nach dem Separator oder nach dem Wärmetauscher – von Bedeutung. Die Trübung von Meerwasser wird hier ebenfalls gemessen.
Im Dienstleistungsbereich werden Anwendungen, in denen der FITMOD-Chip in ein Handgerät eingebunden wird, auch eine wichtige Rolle spielen. Ganz klassisch ist hier an den Servicetechniker zu denken, der mit einem mobilen LED-Analysator schnell und zuverlässig bestimmen kann, um welche LED-Typen (Peakwellenlänge / Strahlungsleistung) es sich handelt, wenn einzelne LEDs im Feld ausfallen.
Die Nachselektion von LEDs, welche bestimmte Anforderungen des Auftraggebers, wie zum Beispiel eine bestimmte Strahlungsleistung, erfüllen, stellt ebenfalls eine Dienstleistung dar, für die der FITMOD-Chip geeignet erscheint.
Weitere potentielle Zielmärkte im Dienstleistungsbereich liegen in der Phototherapie (455 nm), Pflanzenlampen, oder im Dentalbereich.
In der Phototherapie kann der entsprechende Sensor die korrekte Wellenlänge überwachen und die Einhaltung der optischen Leistung prüfen.
Beim Pflanzenwachstum können die eingesetzten Pflanzenlampen auf die korrekte Strahlungsleistung oder Peakwellenlänge geprüft werden.
Die im Dentalbereich eingesetzten Blaustrahler können durch den FITMOD-Chip hinsichtlich ihrer Leistung geprüft werden.
In der Forschung und Entwicklung nutzen die Photonik- und Elektronikindustrie sowie Universitäten und wissenschaftliche Institute optische Messtechnik unterschiedlichster Art. Optische Empfänger kommen hier beispielsweise in der Spektroskopie, der Photonik, der Oberflächenanalyse und in der Laser-Physik zum Tragen.