Los sensores de imagen CMOS (CMOS Image Sensors o CIS) son hoy en día la principal tecnología de imágenes, habiendo superado ya hace unos años a los dispositivos de carga acoplada (Charge Coupled Devices o CCD). CIS representa una fracción creciente del mercado total de semiconductores, evaluándose en el 3,9% del mercado total en 2021, equivalente a 21,3 mil millones de dólares.
Tradicionalmente, el crecimiento del mercado de los CIS, tanto en términos de progreso tecnológico como de valor comercial, se ha visto impulsado por el mercado de la telefonía móvil. Las exigencias de los consumidores de un mayor número de píxeles, manteniendo al mismo tiempo el precio general al mismo nivel, han generado la llamada carrera de píxeles, en la que los píxeles para teléfonos móviles ahora son tan pequeños como 0,56 µm1, como en los nuevos sensores de 200 megapíxeles de Samsung2 y Omnivision3. Paralelamente a la reducción del tamaño de los píxeles, el número de cámaras en un teléfono ha ido aumentando y también se han añadido nuevas funciones, como Face ID o mediciones 3D. En 2021, el número total de cámaras en un teléfono móvil era de 3,8 y en 2027 debería llegar a 4,8. Los teléfonos móviles siguen siendo la principal aplicación de los CIS, pero su cuota de mercado se está reduciendo lentamente. De 2020 a 2021 bajó del 68 al 63% y se espera que continúe su descenso. Sin embargo, el mercado de los CIS sigue creciendo. Este crecimiento proviene ahora principalmente de otras aplicaciones como la robótica industrial, automoción, vigilancia y equipos médicos. En el sector del automóvil, se introducen cámaras para diferentes aplicaciones: espejos electrónicos, monitorización en cabina, visualización y conducción autónoma. El promedio de mercado de cámaras por vehículo fue de 3 en 2021, y los vehículos de alta gama tenían hasta 12 cámaras y para 2027 se espera que estas dos cifras aumenten a 5 y 20 para el promedio del mercado y el tope de gama, respectivamente.
En el sector de imágenes médicas, se espera que la CAGR en los próximos años alcance un alto nivel del 7,7%. Los CIS se encuentran en muchos sistemas. La endoscopia es una de las aplicaciones. Esto requiere píxeles muy pequeños para que se puedan instalar cámaras con buena resolución en el pequeño tamaño de un cabezal de endoscopio sin causar ninguna molestia a los pacientes. Debido al pequeño tamaño del sensor y a pesar de la gran cantidad de endoscopios, el tamaño del mercado en esta aplicación acaba siendo bastante pequeño en términos relativos. El crecimiento (y los volúmenes) de imágenes médicas para la industria de la CEI proviene principalmente de los grandes sensores que se utilizan en los equipos utilizados para imágenes de rayos X.
IMASENIC es una PYME joven que desarrolla sensores de imagen, basados en sus innovadoras IP. Fundada en 2017, tiene su sede en Barcelona y ostenta el sello europeo de Pyme Innovadora desde 2020. Desarrolla sensores de imagen CMOS personalizados para clientes de todo el mundo. Su primer producto fue un sensor de paso fino para imágenes dentales intraorales. Para este producto, IMASENIC desarrolló un píxel innovador que permite lograr un rango dinámico muy alto (HDR), además de realizar un “pixel binning” en modo de carga, lo que no introduce ruido adicional. En este “pixel binning” se conserva también la función HDR. En cada columna, el sensor integra amplificadores de ganancia programables (Programmable Gain Amplifiers o PGA) y convertidores analógico-digital (Analogue to Digital Converters o ADC). También integra todo el secuenciador digital y polarización, siendo todo totalmente programable a través de una interfaz SPI (serial to parallel interface, interfaz serial-paralelo). El chip es entonces del tipo de una “cámara en un chip” lo que permite integrarlo fácilmente en el reducido espacio de un módulo para la imagen intraoral. El sensor se encuentra ahora en producción en volumen y existe en una variedad de tamaños, desde 1,9 megapíxeles (tamaño 1) hasta 9,2 megapíxeles, este último se utiliza para imágenes panorámicas extraorales.
La creación de una familia de sensores a partir de un conjunto de máscaras único es posible gracias al uso de una técnica llamada “stitching” o costura . Lo stitching se ha utilizado desde los años 90 en la industria de los semiconductores para hacer troqueles más grandes que la retícula de la máscara. Se pueden fabricar troqueles del tamaño de una oblea. ¿Cómo funciona lo stitching? En la fabricación VLSI estándar, la imagen de una retícula se repite a lo largo de una oblea. El tamaño de la retícula puede variar de un fabricante a otro, pero siempre es del orden de 20-30 mm en ambas direcciones. Esto es mucho más pequeño que el tamaño de una oblea en una tecnología moderna, generalmente con un diámetro de 200 o 300 mm. Para hacer sensores del tamaño de una oblea, es necesario hacer algunos trucos con el procedimiento de paso y repetición (step-and-repeat). La forma más común de fabricar sensores grandes es dividir la retícula como se indica a continuación. La retícula se compone del bloque de píxeles A, los bloques derecho e izquierdo (R y L), superior e inferior (T y B), y los cuatro bloques de las esquinas (1, 2, 3 y 4). En cada paso, la retícula queda solo parcialmente expuesta y el resultado final es el sensor que se muestra a la derecha de la Figura 4. Hay que decir que, a pesar de su nombre técnico, no hay “costuras” o bordes entre los diferentes bloques.
En su continua apuesta por mejorar el rendimiento de sus sensores, IMASENIC ha desarrollado ahora la familia IMA300, cuyo primer elemento es el sensor IMA302, un sensor de 11,6 Mixel con un pixel pitch de 8 µm. El sensor presenta un bajo nivel de ruido de 1,5 e rms y un alto rango dinámico, superior a 92,7 dB, gracias a un nivel de saturación de 65.000 electrones. El sensor funciona a 30 fps, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde se necesita transmisión de video. Los sensores de la familia IMA300 están iluminados desde la parte trasera para lograr una alta eficiencia cuántica QE. Dependiendo de las aplicaciones, la eficiencia cuántica se puede optimizar para aplicaciones de luz visible, con un QE superior al 90% en visible, o para aplicaciones ultravioleta profunda, con un QE superior al 40% a 193 nm. IMA302 estará disponible en el segundo trimestre de 2024. Para ayudar en su evaluación también estará disponible un kit de evaluación. En la familia también está previsto el IMA304, que es un sensor de formato medio de 69,5 megapíxeles. Otros formatos, con las mismas prestaciones electroópticas, estarán disponibles bajo pedido.
Como se mencionó anteriormente, lo stitching permite hacer sensores del tamaño de una oblea entera. Debido a la forma en que se hace, consulte la Figura 4, existen algunas limitaciones adicionales en el diseño con respecto a diseños más pequeños sin stitching. Las líneas de lectura desde los píxeles hasta la periferia son muy largas y abarcan toda la oblea, por lo que los elementos parásitos asociados son correspondientemente grandes, lo que limita potencialmente la velocidad de lectura de sensores de este tipo. Además de esto, como cada oblea tiene un solo sensor, se debe tener especial cuidado en el diseño del sensor para lograr un alto rendimiento de fabricación. En IMASENIC tenemos una larga experiencia en el diseño de sensores de gran área y este conocimiento único permite el diseño de alto rendimiento de sensores a escala de oblea. Sobre el tema de lograr alta velocidad, esto se aborda en la patente EP20382222.6 de IMASENIC, que enseña cómo aumentar la velocidad del sensor. Estos conceptos se aprovecharon en el diseño del sensor Sagara 1212 de IMASENIC. Los números en el nombre indican el tamaño del sensor en… ¡centímetros! Este sensor ocupa una oblea entera de 200 mm de diámetro. Está diseñado con una tecnología de 180 nm. El sensor fue desarrollado por IMASENIC dentro del proyecto DeCEMIS, un proyecto europeo H2020, financiado a través del acuerdo de subvención n. 971007. En este proyecto IMASENIC desarrolló íntegramente el sensor de imagen a escala de oblea así como la electrónica de lectura de alta velocidad. El sensor fue desarrollado para la detección directa de electrones en un microscopio electrónico de transmisión. Cuenta con 4 millones de píxeles resistentes a la radiación. El plano es similar al que se muestra arriba en la Figura 2. Tiene 24,576 ADC de columnas paralelos con resolución variable de 6 a 10 bits. Con una resolución de 8 bits, alcanza 5200 fotogramas por segundo, lo que equivale a una velocidad de 22 mil millones de píxeles por segundo. Hasta ahora, este tipo de velocidad de píxeles sólo era posible en sensores mucho más pequeños. Gracias a nuestra tecnología, podríamos ir más allá de esta limitación. La velocidad de datos general supera los 200 Gbps. En la Figura 6 a continuación se muestra una fotografía del sensor.
Para algunas aplicaciones de rayos X, como en pruebas médicas, industriales y no destructivas en la industria de semiconductores, el campo de visión es incluso mayor que el de una oblea CMOS. Entonces, un módulo de imágenes debe estar compuesto por más de un sensor de escala de oblea. Para evitar espacios muertos entre sensores, se necesitan técnicas de diseño especiales para lograr lo que se llama un sensor “con tope de 3 lados”, es decir, un sensor que tiene un área muerta mínima, casi nula, en 3 lados. La patente IMASENIC EP20382222.6 mencionada anteriormente permite diseñar sensores empalmados de 3 lados logrando una alta velocidad de lectura y rendimiento de fabricación. Este diseño allana el camino para nuevos desarrollos en detectores de rayos X de alta velocidad.
1 John H.F. Scott-Thomas, Trends and Developments in State-of-the-Art CMOS Image Sensors, presented at the 2023 Internation Image Sensor Workshop, online publication
2 Sungsoo Choi et al., World smallest 200Mp CMOS Image Sensor with 0.56μm pixel equipped with novel Deep Trench Isolation structure for better sensitivity and higher CG, presented at the 2023 Internation Image Sensor Workshop, online publication
3 Chun Yung Ai et al., 0.56um-pitch CMOS Image Sensor for High Resolution Applications, presented at the 2023 Internation Image Sensor Workshop, online publication
