A low-cost uncooled infrared detector array and its camera electronics
Düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi detektör dizini ve kamera elektroniği
- Tez No: 286110
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN, YRD. DOÇ. DR. SELİM EMİNOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Bu tezde diyot tipi mikrobolometreler için okuma devresi geliştirilmesi ve mikrobolometreler için harici kamera elektroniği geliştirilmesi sunulmuştur. Geliştirilen okuma devresi, kendisiyle bütünleşik 160x120 çözünürlükteki ODM (Odak Düzlem Matrisi) ile XFAB 1.0 um SOI-CMOS teknolojisi ile üretilmiştir. Odak düzlem matrisindeki pikseller 70 um adım uzunluğunda ve kızılötesi spektrumun 8-12 um bandına duyarlıdır. Her piksel, seri baglı 4 diyottan oluşur ve diyot açılma voltajı, asılı ve ısıl yalıtkan pikselin emdiği kizilötesi güç yüzünden artan sıcaklığından dolayı değişir. Piksellerin asılı hale gelmesi, CMOS-sonrası MEMS kazıma süreci ile yapılır, fakat bu süreç herhangi bir kritik litografi ve serim adı mı gerektirmez. Bu, dedektor süreç maliyetini çok düşürür ve bu mikrobolometre ODM'sini otomotiv, güvenlik ve ticari uygulamalar gibi çok düşük maliyetli uygulamalar için cazip hale getirir. ODM'nin okuma devresi zamanlama ve programlama blokları gibi sayısal blokları içerdiği gibi fark-geçiş-iletimi yükselteci, anahtarlamalı kapasitör integratörü, örnekle-ve-tut devresi ve akım sayısal-analog çevirici devrelerini de içermektedir. Bu yeni okuma devresi tasarımı, ODTU'de daha önceden tasarlanan 128x128 ODM'ye kıyasla, gerekli pin sayısını, harici elektroniği basitleştirmek için, düşürmüştür ve pul seviyesi vakum paketlemeye elverişlidir.İki mikrobolometre için iki tip harici kamera elektroniği geliştirilmiştir. İlk geliştirilen, ODTÜ 'de daha once tasarlanan 128x128 mikrobolometre içindir. Geliştirilen harici kamera elektroniğinin gürültü seviyesi 8.4mVrms olan mikrobolometrenin gürültü seviyesinin çok altında olup 1.5mVrms'tir. Tüm sistemin ortalama GDSF'si (Gürültüye Denk Sıcaklık Farkı) 465 mK ve tepe GDSF'si 320 mK'dir. İkinci geliştirilen harici kamera elektroniği bu tez kapsaminda geliştirilmiş olan 160x120 mikrobolometre içindir. Geliştirilen harici kamera elektroniğinin gürültü seviyesi 0.55mVrms'dir ve bu değer 5mVrms olan mikrobolometrenin gürültü seviyesinden çok aşagıdadır. Genel sistemin ortalama GDSF'si 820 mK ve tepe GDSF'si 350 mK'dir. Bu iki kamera elektroniği de bir özel tasarlanmış baskı devre kartı, bir uygun olarak programlanmış FPGA ve bilgisayar üzerinde çalışan bir yazılımı içermektedir. Özel tasarlanmış baskı devre kartı gerekli harici devre elemanlarını barındırır; FPGA, mikrobolometre verisini alır, işler ve bilgisayara yollar; bilgisayar bu veriyi işler ve akan bir video görüntüsü oluşturur. Bu iki kamera elektroniği ile insan görüntüleri alınmıştır ve bu görüntüler geliştirilen mikrobolometrelerin güvenlik ve otomotiv uygulamalarında kullanılabileceğini doğrulamıştır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the development of integrated readout electronics for diode type microbolometers and development of external camera electronics for microbolometers. The developed readout electronics are fabricated with its integrated 160x120 resolution FPA (Focal Plane Array) in the XFAB SOI-CMOS 1.0 um process. The pixels in the FPA have 70 um pixel pitch, and they are sensitive in the 8-12 um band of the infrared spectrum. Each pixel has 4 serially connected diodes, and diode turn on voltage changes as the temperature of the suspended and thermally isolated pixel increases due to the absorbed infrared power. Suspension of the pixels is obtained with a post-CMOS MEMS etching process, but this process requires no critical litography and/or deposition steps. This dramatically reduces the detector process cost, which makes this microbolometer FPA suitable for ultra low-cost applications such as automobile, security, and commercial applications. The readout electronics of the FPA include digital blocks such as timing and programming blocks as well as analog blocks such as a differential trans-conductance amplifier, a switched capacitor integrator, a sample-and-hold, and current DACs. This new readout design has reduced number of pins to simplify the external electronics and allows wafer-level vacuum packaging compared to the 128x128 FPA developed in a previous study at METU with the same approach. Both of these features further decrease the cost.Two kinds of external camera electronics are developed for two SOI type microbolometers. The first one is for the 128x128 SOI microbolometer previously designed in METU. The developed external camera electronics have 1.5mVrms noise, which is much less than the microbolometer noise. The overall system has an average NETD of 465 mK and a peak NETD of 320mK. The second developed external camera electronics are for the 160x120 SOI microbolometers that developed in the scope of this thesis. The developed external camera electronics has 0.55mVrms noise which is much less than the bolometer noise which is 5mVrms. The overall system has an average NETD of 820 mK and a peak NETD of 350 mK. Each of these external camera electronics include a custom designed PCB, an FPGA board with appropriate configuration and a software working on a PC. The custom designed PCB holds the external components for the microbolometer, an FPGA takes and processes the bolometer data and it sends to a PC, and a PC processes these data and forms a streaming video. These two external camera electronics allow to obtain human images verifying that the developed microbolometers can be used for security and automotive applications.
Benzer Tezler
- 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 low-cost uncooled infrared imaging sensor using MEMS and a modified standard CMOS process
Düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi detektör dizini
MEHMET ALİ GÜLDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
DR. SELİM EMİNOĞLU
- Magnetron sputter grown metal doped vanadium oxide thin films for terahertz bolometers
Terahertz bolometreleri için manyetik saçtırma ile büyütülmüş metal katkılı vanadyum oksit ince filmleri
HAKAN ALABOZ
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLNUR AYGÜN ÖZYÜZER
- 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
- Low-cost microbolometer infrared detectors utilizing cmos resistive layers
Cmos direnç katmanları kullanan düşük maliyetli mikrobolometre kızılötesi dedektörler
HANDE ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN