Een netvlies van silicum

De fabricagetechnieken om chips en lichtgevoelige sensoren met elkaar te integreren worden steeds verfijnder. Binnenkort: de digitale camera die zo groot is als een suikerklontje.

Wie zijn ogen over deze letters beweegt, kan woorden uit de volgende alinea nog lang niet herkennen. Het netvlies is gevoelig maar selectief. In het centrum ontgaat ons geen detail, meer naar buiten verslapt de aandacht.

Toen onderzoekers van Imec (Interuniversitair Micro-elektronicacentrum) in het Belgische Leuven nadachten hoe ze het best een beeldtelefoon voor doven konden maken, besloten ze deze kieskeurigheid uit te buiten. Ze maakten een video-chip die bijzonderheden in het midden van het beeld beter oppikt dan aan de randen. “We willen een eenvoudige videofoon maken waarmee liplezen en gebarentaal mogelijk zijn”, zegt Lou Hermans van Imecs onderzoeksgroep Microsystemen. “De eis is dat twee van zulke beeldtelefoons hun gegevens over gewone telefoonlijnen moeten kunnen uitwisselen. Die hebben een geringe capaciteit en dus moet men zuinig zijn. Uit tests blijkt dat voor vingerspelling en gebarentaal 10 beelden per seconde nodig zijn, anders wordt het door de schokkende beelden onbegrijpelijk. Ons doel is 15 beelden, de eis voor liplezen.”

Om die snelheid te halen, heeft het siliciumnetvlies minder aandacht voor details van randverschijnselen. Gebruikers moeten daar rekening mee houden. Staan ze voor de camera met daarin de chip, dan moeten ze hun mond of handen op het centrum concentreren. Sterk vergroot lijkt het kunstnetvlies op een verfijnd spinnenweb. In 75 cirkels liggen 8.013 lichtgevoelige elementen die naar het midden toe steeds kleiner worden.

De techniek om een chip te bedekken met lichtgevoelige vlekjes stamt al uit de begindagen van de halfgeleiderindustrie. Net als in een film- of fotocamera wordt het beeld geprojecteerd op lichtgevoelig materiaal. Dat bestaat bij beeldsensoren niet uit film met een fotogevoelige chemische substantie, maar uit een rechthoekig plaatje silicium dat opgedeeld is in duizenden beeld-elementen: kleine fotodiodes. Die zetten elk voor zich fotonen (lichtdeeltjes) om in elektronen. Dat levert duizenden ladingspakketjes op en de kunst is om die stuk voor stuk te verzamelen en te tellen. Dan kan die informatie bewerkt of opgeslagen worden en zodat het beeld op een scherm zichtbaar komt.

Onbegonnen werk

Maar hoe meet je lading in honderdduizenden pixels? In de tijd dat de eerste beeldsensoren werden bedacht, was het onbegonnen werk om op elke fotodiode een draadje aan te sluiten. De metaaldraden zouden zoveel oppervlak op de beeldchip hebben ingenomen, dat er nauwelijks ruimte overbleef voor lichtgevoelige elementen: de resolutie zou minimaal zijn geweest. Toen bedachten Freek Sangster en zijn collega's van Philips Natlab in Eindhoven dat ze geen 'metaallijnen' nodig hadden als de fotogevoelige elementen hun verzamelde ladingen aan elkaar zouden kunnen doorgeven. Naar het voorbeeld van brandblussen met emmers noemde Sangster het principe een 'emmerbrigade': de lichtgevoelige beeldelementen (pixels) op zijn sensor waren emmertjes die tijdens de belichting volliepen met elektronen. Sangster bedacht een techniek waarbij de pixels hun pakketjes elektronen bij het 'uitlezen' tot op de rand van de chip aan elkaar doorgeven. Hij demonstreerde de techniek begin 1970 op de ISSCC-chipconferentie in San Fransisco in een beeldchip van 2 bij 36 beeldelementen. Datzelfde jaar gaven onderzoekers van Bell Labs dit principe de naam charge coupled device (CCD). Alle camcorders, studiocamera's en digitale fotocamera's werken tegenwoordig met CCD's.

Nadat CCD's tientallen jaren de alleenheerschappij hadden op het gebied van de beeldsensoren, is er nu concurrentie op komst. Verregaande miniaturisatie in de chipindustrie maakt het momenteel wèl mogelijk om naar honderdduizenden fotodiodes een stroomdraadje te leggen: waar in 1970 de structuren op chips nog afmetingen van een tiende haardikte hadden, halen de chipproductieprocessen tegenwoordig details drieduizend keer dunner dan een mensenhaar.

De fabricagetechniek voor CCD's is geperfectioneerd voor de emmer-brigade, niet om naar elk pixel een elektronen-regengoot te leggen. Met het CMOS-fabricageproces (van complement arymetal-oxide semiconductor) kan dat wel. Bovendien biedt het de mogelijkheid lichtgevoelige elementen te maken. CMOS is zeer geavanceerd. Tachtig procent van alle chips wordt ermee gemaakt. Imecs-onderzoekers laten met hun spinnewebvormige netvlies zien dat CMOS ook een 'vrije vormgeving' toelaat. Eerder maakten ze de retina in CCD-technologie, maar met het principe van de emmertjes-brigade viel geen beeldvullende sensor te maken. Chips in CMOS springen zuiniger om met energie om dan CCD's en dat maakt ze aantrekkelijk voor draagbare toepassingen. CMOS-adepten voorspellen dan ook dat deze fabricagetechnologie een revolutie zal veroorzaken.

De grote belofte is de camera op een chip. Als beeldsensoren net als andere digitale chips in CMOS zijn te maken, dan ligt het voor de hand alles op één tegeltje silicium te integreren. Dat is de droom van Eric Fossum. Om te laten zien waar fotografie naar toe gaat, liet deze medewerker van Nasa's Jet Propulsion Labs (JPL) in Pasadena, zich vorig jaar door Business Week fotograferen met een houten dobbelsteen op zijn hand. Fossum werkt sinds 1990 aan een digitale camera zo groot als een suikerklontje. Zijn onderzoeksteam bij JPL ontwikkelde een CMOS-beeldsensor met 256 bij 256 lichtgevoelige elementen. Het moet uiteindelijk een lichtgewicht inspectie-instrument opleveren voor satellieten: een minicamera, als het oog van een slak, die op een bewegelijke steel eenvoudige inspecties gaat uitvoeren. De primitieve elektronische ogen zijn kunnen geavanceerde optische apparatuur assisteren. Wetenschappelijke precisie-camera's produceren een dermate dikke brij aan gegevens dat het aantrekkelijker is deze instrumenten eerst aan de hand van enkele snapshots met een mini-oog te positioneren alvorens ze in te schakelen.

Fossums kijkende dobbelsteen komt eraan. “Over een paar maanden zijn we zover”, zegt David Shostak van Irvine Sensors in Costa Mesa, Californië, waar ze de camera voor Nasa in elkaar zetten. De hele micro-elektronica op één chip is nog niet realistisch, dat zou teveel silicium-oppervlak innemen. Daarom bestaat Nasa's elektronische slakkenoog vooralsnog uit verschillende chips. Met Fossums beeldsensor bovenop, maakt Irvine Sensors er een zo klein mogelijk stapeltje van. Onderliggende chips bewerken de beelden, andere dienen voor de opslag van de digitale foto's.

Videovergaderen

Dat is niet alleen leuk voor de ruimtevaart: voor deze minicamera's ligt een massamarkt in het verschiet. Wanneer het videovergaderen met bureaucomputers daadwerkelijk losbarst, zijn er miljoenen goedkope cameraatjes nodig. Als het lukt een camera op een chip te maken, hoeft die volgens Fossum niet meer dan 35 gulden te kosten.

“Voor die prijs wil ik er vandaag een miljoen hebben”, hekelt Albert Theuwissen, groepsleider van Philips Imaging Technology, waar men CCD-chips voor professionele toepassingen zoals digitale foto- en tv-studiocamera's maakt. Ook Shostak van Irvine Sensors benadrukt dat een camerachip voor 20 dollar er nog lang niet is. Irvines camera's van dobbelsteenformaat zullen niet snel in PC's worden opgenomen. Alleen al met het assemblage-project van de elektronische slakkenogen is 600.000 dollar gemoeid.

Theuwissen onderstreept dat van een dreiging in het segment van de professionele toepassingen geen sprake is. “CMOS-beeldsensoren hebben bij lange na niet de perfectie van CCD's. Onze ogen zijn ontzettend gevoelig. Bij uniforme belichting springen afwijkingen kleiner dan 1 procent er meteen uit. CMOS-beeldelementen hebben last van achtergrondruis. Ze genereren bijvoorbeeld elektronen zonder dat er licht op valt. Die donkerstroom verschilt per pixel, maar is nagenoeg stabiel waardoor er een vast ruispatroon over videobeelden ligt die met CMOS-sensoren zijn opgenomen.”

Toch zijn er toepassingen voor deze goedkope beeldsensoren: niet overal zijn estetische plaatjes belangrijk. Het bedrijf VLSI Vision Ltd uit Edinburgh, maakt met CMOS-beeldsensoren camera's voor beveiliging en voor sorteerdoeleinden in fabrieken. Het Zwitserse researchinstituut CSEM in Neuchâtel ontwikkelde voor computermuizenmaker Logitech een 'track-bal' met een CMOS-beeldchip voor bureaucomputers. Gewone muizen sturen het pijltje op het scherm aan door middel van een balletje dat over het bureau rolt. Bij de track-bal manipuleert de duim een gestippelde bal. In de bal kijkt de beeldsensor naar de bewegingen van de puntjes op het oppervlak.

Nasa's JPL en AT&T proberen de CMOS-beeldtechniek te perfectioneren. Net als Fossum denkt Bryan Ackland, van AT&T BellLabs, dat CMOS-camera's spotgoedkoop zullen worden. “Bij AT&T mikt men op 352 bij 288 pixels onder de 50 dollar. Zodra die grens wordt doorbroken zullen fabrikanten hun PC's er standaard mee uitrusten”, zegt Ackland. In de 'actieve-pixel sensoren' waaraan Fossum en Ackland werken zit naast elk beeldelement actieve elektronica die de opto-elektrische omzetting van fotonen naar elektronen versterkt en de ruis onderdrukt.

Het Amerikaanse bedrijf Fisher Price heeft de CMOS-techniek inmiddels opgenomen in een speelgoedcamera. Er zit een CMOS opname-eenheid in en een kleine zwartwit-printer. Kinderen kunnen het papier afscheuren en zelf inkleuren. In de VS is het speeltje inmiddels voor 50 dollar op de markt. Volgend jaar moet Groot-Brittannië volgen.