[학위논문]비냉각형 볼로미터 적외선 이미지 센서용 검출회로의 설계와 검출 특성 향상 방안에 관한 연구 (A)Study on the Design and Characteristic Improvement of Readout ICs for Uncooled Bolometer Infrared Image Sensors원문보기
본 논문에서는 적외선 열영상 시스템에 적용 가능한 고성능 검출회로를 설계하였다. 적외선 열영상 시스템에 적용되는 볼로미터 센서는 냉각장치가 따로 필요하지 않아서 제작이 용이하다는 장점이 있지만, 감응도가 낮고 동작 속도가 느리며 MEMS 공정으로 제작되어 고정패턴잡음이 심하다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 볼로미터의 이러한 문제점들을 검출회로의 특성 향상을 통해 해결하고자 하였다. 또한 검출회로 자체의 잡음 또한 매우 미세한 ...
본 논문에서는 적외선 열영상 시스템에 적용 가능한 고성능 검출회로를 설계하였다. 적외선 열영상 시스템에 적용되는 볼로미터 센서는 냉각장치가 따로 필요하지 않아서 제작이 용이하다는 장점이 있지만, 감응도가 낮고 동작 속도가 느리며 MEMS 공정으로 제작되어 고정패턴잡음이 심하다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 볼로미터의 이러한 문제점들을 검출회로의 특성 향상을 통해 해결하고자 하였다. 또한 검출회로 자체의 잡음 또한 매우 미세한 적외선 신호를 증폭하는데 있어 심각한 영향을 미치므로 이것 또한 억제하는 설계 방안을 제시하였다. CDS 방식의 적분기를 검출회로에 적용하여 검출회로 자체에서의 부정합에 의한 잡음을 억제하려고 하였으며, 차동방식 검출회로를 제안하여 검출회로의 신호 증폭 능력을 향상시키고 CDS 방식 적분기의 선형성을 보상하였다. 또한, 볼로미터 셀 구조를 새롭게 제안하여 평균화 기법을 활용한 볼로미터의 고정패턴잡음 억제 방안에 대하여 살펴보았다. 마지막으로 기존 고정바이어스 방식의 검출기법을 대체하는 고정전류 방식의 검출기법을 적용함으로써 볼로미터의 전압 감응도를 극대화 하였다. 제안한 검출회로에서는 기존 검출회로에 비하여 1.6배의 신호 증폭능력을 확보할 수 있었으며, 약 8.1배의 볼로미터 고정패턴잡음 보정효과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 0.35 ㎛ 2P4M (2-Poly 4-Metal) 표준 CMOS 공정을 통해 시제품을 제작하였으며, 테스트 보드를 자체 제작하여 특성을 측정하였다.
본 논문에서는 적외선 열영상 시스템에 적용 가능한 고성능 검출회로를 설계하였다. 적외선 열영상 시스템에 적용되는 볼로미터 센서는 냉각장치가 따로 필요하지 않아서 제작이 용이하다는 장점이 있지만, 감응도가 낮고 동작 속도가 느리며 MEMS 공정으로 제작되어 고정패턴잡음이 심하다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 볼로미터의 이러한 문제점들을 검출회로의 특성 향상을 통해 해결하고자 하였다. 또한 검출회로 자체의 잡음 또한 매우 미세한 적외선 신호를 증폭하는데 있어 심각한 영향을 미치므로 이것 또한 억제하는 설계 방안을 제시하였다. CDS 방식의 적분기를 검출회로에 적용하여 검출회로 자체에서의 부정합에 의한 잡음을 억제하려고 하였으며, 차동방식 검출회로를 제안하여 검출회로의 신호 증폭 능력을 향상시키고 CDS 방식 적분기의 선형성을 보상하였다. 또한, 볼로미터 셀 구조를 새롭게 제안하여 평균화 기법을 활용한 볼로미터의 고정패턴잡음 억제 방안에 대하여 살펴보았다. 마지막으로 기존 고정바이어스 방식의 검출기법을 대체하는 고정전류 방식의 검출기법을 적용함으로써 볼로미터의 전압 감응도를 극대화 하였다. 제안한 검출회로에서는 기존 검출회로에 비하여 1.6배의 신호 증폭능력을 확보할 수 있었으며, 약 8.1배의 볼로미터 고정패턴잡음 보정효과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 0.35 ㎛ 2P4M (2-Poly 4-Metal) 표준 CMOS 공정을 통해 시제품을 제작하였으며, 테스트 보드를 자체 제작하여 특성을 측정하였다.
The bolometer sensor which is applied to the infrared image system has many advantages on the process and fabrication cost, but because the bolometers in the sensor are made by MEMS process the sensor has some drawbacks that the bolometer sensitivity is low and the fixed pattern noise(FPN) of the se...
The bolometer sensor which is applied to the infrared image system has many advantages on the process and fabrication cost, but because the bolometers in the sensor are made by MEMS process the sensor has some drawbacks that the bolometer sensitivity is low and the fixed pattern noise(FPN) of the sensor is large. These problems can be resolved by high performance readout IC(ROIC) with noise reduction configuration, high linearity and high signal sensitivity. Correlated double sampling(CDS) integrator was applied to the ROIC to reduce the noise from a mismatch on the integrators existing within several channels. However, the linearity of the CDS integrator is very low and this non-linearity induces higher noise equivalent temperature difference(NETD). In order to compensate the non-linearity of the CDS integrator and acquire high responsivity of ROIC, a differential input mode ROIC was proposed and designed. As a result of the scheme, it is possible to obtain a higher linearity with small integrator size. For reduction of the FPN on the bolometer sensor due to the process error, an equalization technique was proposed. The equalization technique is a reduction method of the FPN by connecting four bolometer cells in parallel. This technique not only reduces the FPN of the bolometer cells, but also decreases the resistance of the bolometer. The small bolometer's resistance allows the ROIC to apply various readout schemes which are maximize the sensitivity. Among the various schemes, the constant current readout scheme was adopted to this paper. The constant current readout configuration can maximize the infrared thermal energy sensitivity of a bolometer. Moreover, the constant current configuration can remarkably reduce the chip size. A ROIC with the techniques above explained was designed and analyzed by HSPICE simulator. As a result of the simulation, it is possible to acquire the ROIC which has a 1.6 times higher sensitivity and a 8.1 times improved FPN compensation effect. Based on the simulation and analysis results, a ROIC using 2 poly 4 metal(2P4M) 0.35 ㎛ standard CMOS process was implemented.
The bolometer sensor which is applied to the infrared image system has many advantages on the process and fabrication cost, but because the bolometers in the sensor are made by MEMS process the sensor has some drawbacks that the bolometer sensitivity is low and the fixed pattern noise(FPN) of the sensor is large. These problems can be resolved by high performance readout IC(ROIC) with noise reduction configuration, high linearity and high signal sensitivity. Correlated double sampling(CDS) integrator was applied to the ROIC to reduce the noise from a mismatch on the integrators existing within several channels. However, the linearity of the CDS integrator is very low and this non-linearity induces higher noise equivalent temperature difference(NETD). In order to compensate the non-linearity of the CDS integrator and acquire high responsivity of ROIC, a differential input mode ROIC was proposed and designed. As a result of the scheme, it is possible to obtain a higher linearity with small integrator size. For reduction of the FPN on the bolometer sensor due to the process error, an equalization technique was proposed. The equalization technique is a reduction method of the FPN by connecting four bolometer cells in parallel. This technique not only reduces the FPN of the bolometer cells, but also decreases the resistance of the bolometer. The small bolometer's resistance allows the ROIC to apply various readout schemes which are maximize the sensitivity. Among the various schemes, the constant current readout scheme was adopted to this paper. The constant current readout configuration can maximize the infrared thermal energy sensitivity of a bolometer. Moreover, the constant current configuration can remarkably reduce the chip size. A ROIC with the techniques above explained was designed and analyzed by HSPICE simulator. As a result of the simulation, it is possible to acquire the ROIC which has a 1.6 times higher sensitivity and a 8.1 times improved FPN compensation effect. Based on the simulation and analysis results, a ROIC using 2 poly 4 metal(2P4M) 0.35 ㎛ standard CMOS process was implemented.
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