Integrated optical distance measurement sensors based on advanced PIN-photodiode technology

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf dem Laufzeitverfahren basierende integrierte optische Entfernungssensoren zur Abstandsmessung entwickelt. Dabei wird kontinuierlich moduliertes Laserlicht ausgesandt und an der Oberfläche eines beliebigen Zielobjektes mehr oder weniger diffus in den gesamten Halbraum reflekiert. Eine Empfangslinse bündelt den sehr geringen Anteil an zurückreflektiertem empfangenem Licht in den Photoempfänger des entwickelten Abstandssensorchips. Der Objektabstand ergibt sich über die konstante Lichtgeschwindigkeit und die mittels Korrelationsverfahren gemessenen Laufzeit des Lichtes, was aufgrund der kurzen Zeitintervalle bei gewünschten Auflösungen von einigen Pikosekunden und der sehr niedrigen optischen Empfangsleistung im Subnanowatt-Bereich schwierige Rahmenbedingungen darstellt.<br />Die für diese Anwendung erforderliche hohe Bandbreite von bis zu 3GHz bei gleichzeitig hohem Quantenwirkungsgrad wurde durch den Einsatz von PIN-Photodioden-Technologie anhand verschiedener Photodiodenkonzepte erzielt. Einerseits wurde die Leistungsfähigkeit der PIN-Photodiode mit einem homogenen Aufbau aus N und P-dotierten Gebieten sowie einer weiten niedrig dotierten intrinsischen Schicht in unterschiedlichen Halbleitertechnologieprozessen nachgewiesen. Weiters wurden ebenfalls basierend auf PIN-Photodioden-Technologie verschiedene neuartige bereits intern korrelierende Photoempfänger mit speziell strukturiertem fingerartigem Aufbau entwickelt.<br />Durch den integrierten Aufbau von Photodetektor und Auswerteelektronik als System On Chip (SOC) entfallen Inter-Chip Bond-Verbindungen. Erst dadurch werden auch integrierte Multipixel-Anwendung möglich.<br />Anhand mehrerer neuartiger Konzepte für Photodioden sowie Auswerteschaltungen wurden Entfernungssensoren in 0.6µm BiCMOS realisiert mit einem Messbereich von bis zu 15m. Bei einer optischen Sendeleistung von 1.6mW und weißem Papier als Zielobjekt wurde eine Genauigkeit von 1.7% bei einer Messzeit von 20ms erzielt.<br />Als Anwendungsgebiete bieten sich neben der Automatisierungstechnik, Robotik, Sicherheitstechnik und Unterhaltungselektronik auch die Automobilindustrie an, die den Einsatz von integrierten Entfernungssensoren in modernen Fahrzeugen mit intelligenten Sensoren forciert.<br />

Integrated optical distance measurement sensors based on the time-of-flight principle for three-dimensional rangefinding have been developed within this work. Continuously emitted modulated light is backscattered from a general object surface in a more or less diffuse way into half space. Reception optics focuses the very weak received signal into the photodetector of the designed rangefinder chip. The object distance results from the constant speed of light and the measured runtime via correlation technique. Due to the short timing resolution of several picoseconds, which is necessary for desired accuracy in the centimeter range and the small optical reception power of even less than nano-Watt, the physical guidelines for such a system are strict.<br />The therefore required high detector bandwidth of up to 3GHz together with a high quantum efficiency could be achieved with PIN-photodiode technology and is demonstrated for different photodetector concepts. The good performance of a homogenous PIN photodiode with a setup including highly N and P-doped regions plus a wide intrinsic low doped region is the base for accurate and sensitive integrated rangefinders. Furthermore different novel photodetectors performing already internal correlation are developed in PIN-photodiode technology with a special structured finger setup.<br />The integrated solution of photodetector plus readout circuitry as a system on chip (SOC) avoids inter-chip bond wires. This makes integrated multipixel applications possible.<br />By means of several novel concepts of photodetectors and readout circuits, distance measurement sensors have been realized in 0.6µm BiCMOS with a measurement range of up to 15m. At an optical transmission power of 1.6mW and white paper as a reference object an accuracy of 1.7% is achieved within a measurement time of 20ms.<br />Possible fields of applications for integrated rangefinders are industrial automation, robotics, safety, security and entertainment as well as automotive, as the use of intelligent cheap sensors is forced in modern cars.