Uncooled infrared focal plane arrays with integrated readout circuitry using MEMS and standard CMOS technologies
MEMS ve standart CMOS teknolojileri ile entegre okuma devreli soğutmasız kızılötesi odak düzlem matrisleri
- Tez No: 143673
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Soğutmasız kızıl ötesi dedektörler, mikrobolometreler, düşük maliyetli mikrobolometre dedektörleri, soğutmasız kızılötesi odak düzlem matrisleri, mikrobolometreler için okuma devreleri, Uncooled infrared detectors, microbolometers, low-cost microbolometer detectors, uncooled infrared focal plane arrays, readout circuits for microbolometers
- Yıl: 2003
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde kızıl ötesi gece görüş uygulamaları için MEMS ve standart CMOS teknolojileri kullanılarak düşük maliyetli, okuma devreleri ile entegre edilmiş soğutmasız kızıl ötesi dedektör odak düzlem matrisleri (ODMler) anlatılmaktadır. Geliştirilen kızıl ötesi mikrobolometre dedektörleri, 0.35 um CMOS üretim süreci ve sonrasında basit bir gövde aşındırma işlemi kullanılarak üretilen, gövdeden ısıl olarak izole edilmiş p+-aktif/n-kuyu diyot yapılarına dayanmaktadır. CMOS üretim sonrasında yapılan işlemler ne kritik bir pozlama ne de karmaşık bir malzeme serim işlemi içermektedir; bu nedenle, odak düzlem matrisinin maliyeti oldukça düşürülmüştür. Entegre okuma devresi özel olarak p+-aktif/n-kuyu diyot tipi mikrobolometreler için geliştirilmiş olup, daha önceden geliştirilen diyot tipi mikrobolometrelere uygun okuma devrelerinden daha düşük giriş gürültüsüne sahiptir. Düşük gürültülü entegre okuma devreleri içeren 64 x 64 ve 128 x 128 dizin formatlı iki adet odak düzlem matrisi üretilmiştir. Üretilen bu odak düzlem matrisleri bu boyutlarda CMOS teknolojisinde üretilmiş olan ilk odak düzlem matrisleri olma özelliğine sahiptirler. Üretilen dedektörlerin sıcaklık sabitleri -2 mV/K, ısıl iletileri 1.55 xl O"7 W/K, ısıl zaman sabitleri 36 ms'dir ve ölçülmüş kızılötesi DC cevaplılıklan sürekli kutuplama altında 4970 V/W'dır. Ölçülen dedektör gürültüsü 8 kHz elektriksel band aralığında 0.69 uV'dur ve 9.7 x 108 cnWHz/W'lik bir dedektivite değerine karşılık gelmektedir. 64 * 64 odak düzlem matrisindeki 4096 adet piksel, düşük gürültülü fark-geçiş-ileti yükselticisi, anahtarlamalı kapasitör entegratörü ve örnekle-ve-tut devreleri içeren 16 kanallı paralel bir okuma devresi tarafından taranmaktadır. Üretilen 64 x 64 odak düzlem matrisinin boyutu 4.1 mm x 5.4 mm, güç tüketimi 25 mW olup, 30 fps tarama hızında f/l optik ile 0.8 K'lik bir gürültüye eş sıcaklık farkı (GESF) sağlaması beklenmektedir. CMOS üretim sonunda 64 x 64 odak düzlem matrisinin ölçülmüş eşdeğersizlik değeri % 0.8'dir ve bu değer 128 x 128 odak düzlem matrisinde geliştirilmiş odak düzlem yapısı sayesinde % 0.2'ye kadar indirilmiştir. 128 x 128 odak düzlem matrisindeki 16384 adet piksel 32 kanallı bir okuma devresi tarafından okunmaktadır. 128 x 128 odak düzlem matrisinin boyutu 6.6 mm x 7.9 mm, güç tüketimi 25 mW olup, 30 fps hızında f/l optik ile 1 K GESF değeri sağlaması beklenmektedir. Okuma devrelerinin ve CMOS sonrası aşındırma işlemlerinin optimizasyonu ile verilen GESF değerlerinin 350 mK'in altına indirilmesi mümkündür. Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı öne sürülen bu yeni yöntem, düşük maliyetli kızıl ötesi görüntüleme uygulamaları için büyük dizin yapılarının düşük maliyet ile üretimini mümkün kılmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis reports the development of low-cost uncooled microbolometer focal plane arrays (FPAs) together with their integrated readout circuitry for infrared night vision applications. Infrared microbolometer detectors are based on suspended and thermally isolated p+-active/n-well diodes fabricated using a standard 0.35 um CMOS process followed by a simple post-CMOS bulk-micromachining process. The post-CMOS process does not require any critical lithography or complicated deposition steps; and therefore, the FPA cost is reduced considerably. The integrated readout circuitry is developed specially for the p+-active/n-well diode in microbolometers that provides lower input referred noise voltage than the previously developed microbolometer readout circuits suitable for the diode type microbolometers. Two FPAs with 64 x 64 and 128 x 128 array formats have been implemented together with their low-noise integrated readout circuitry. These FPAs are first of their kinds where such large format uncooled infrared FPAs are designed and fabricated using a standard CMOS process. The fabricated detectors have a temperature coefficient of -2 mV/K, a thermal conductance value of 1.55 x 10"7 W/K, and a thermal time constant value of 36 ms, providing a measured DC responsivity (5R) of 4970 V/W under continuous bias. The measured detector noise is 0.69 uV in 8 kHz bandwidth, resulting a measured detectivity (D*) of 9.7 x 108 cmVHz/W. The 64 x 64 FPA chip has 4096 pixels scanned by an integrated 16-channel parallel readout circuit composed of low-noise differential transconductance amplifiers, switched capacitor integrators, and sample-and-hold circuits. It measures 4.1 mm x 5.4 mm, dissipates 25 mW power, and provides an estimated NETD value of 0.8 K at 30 frames/sec (fps) for an f/1 optics. The measured uncorrected voltage non-uniformity for the 64 x 64 array after the CMOS fabrication is 0.8 %, which is reduced further down to 0.2 % for the 128 x 128 array using an improved FPA structure that can compensate for the fixed pattern noise due to the FPA routing. The 128 x 128 FPA chip has 16384 microbolometer pixels scanned by a 32-channel parallel readout circuitry. The 128 x 128 FPA measures 6.6 mm x 7.9 mm, includes a PTAT temperature sensor and a vacuum sensor, dissipates 25 mW power, and provides an estimated NETD value of 1 K at 30 fps for an f/1 optics. These NETD values can be decreased below 350 mK with further optimization of the readout circuit and post-CMOS etching steps. Hence, the proposed method is very cost-effective to fabricate large format focal plane arrays for very low-cost infrared imaging applications.
Benzer Tezler
- Design and implementation of front-end electronics for an infrared imaging system
Kızılötesi görüntüleme sistemi için dedektör ön elektroniği tasarımı ve testi
ABDULKADİR YELER
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CENGİZ BEŞİKCİ
- A CMOS compatible uncooled infrared detector focal plane array for night vision applications using MEMS technology
Gece görüş uygulamaları için MEMS teknolojisi kullanarak üretilen CMOS uyumlu soğutmasız kızılötesi dedektör odak düzlem matrisi
DENİZ SABUNCUOĞLU TEZCAN
Doktora
İngilizce
2002
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- A High fill factor CMOS uncooled infrared microbolometer detector
Yüksek etkin alanlı CMOS soğutmasız kızılötesi mikrobolometre dedektörü
MAHMUD YUSUF TANRIKULU
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- High performance readout electronics for uncooled infrared detector arrays
Soğutmasız kızılötesi detektör dizinleri için yüksek performanslı okuma elektroniği
ÖMER ÖZGÜR YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Optical readout for infrared thermo-mechanical detector array
Kızılötesi termo-mekanik dedektör dizini için optik okuma
MUHAMMED FATİH TOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY