[논문]정전용량 방식의 이차원 마이크로볼로미터 FPA를 위한 저잡음 신호취득 회로 설계

김종은; 우두형

doi:10.5573/ieie.2014.51.10.080

초록
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본 연구를 통해서 정전용량 방식의 이차원 마이크로볼로미터를 위한 저잡음 신호취득 회로를 연구하였다. 잡음 대역폭이 매우 낮고 픽셀 면적이 작기 때문에 비 적분형 방식의 간단하고 효과적인 픽셀 단위의 회로를 사용했다. 또한, 가장 문제가 되는 kT/C 잡음을 줄이고 전력소모를 낮추기 위해 새로운 CDS 방식을 열 단위의 회로에 사용했다. 제안하는 회로는 $0.35-{\mu}m$ 2-poly 4-metal CMOS 공정을 이용하여 설계했고, 마이크로볼로미터의 픽셀 크기는 $50{\mu}m{\times}50{\mu}m$이다. 제안하는 신호취득회로는 볼로미터의 kT/C 잡음 등을 포함한 저주파 잡음을 효과적으로 제거하며, 제작된 칩에 대한 잡음 측정을 통하여 이를 검증하였다. 제안하는 회로는 간단한 신호취득 회로에 비해 그 잡음을 30 %에서 55 % 이하까지 개선할 수 있으며, 전체 감지시스템의 잡음등가온도차(NETD)를 21.5 mK 정도로 낮출 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

A low-noise readout circuit is studied for 2-D capacitive microbolometer focal plane arrays (FPAs). In spite of the merits of the integration method, a simple and effective pixelwise readout circuit without integration is used for input circuit because of a small pixel size and narrow noise bandwidt...

A low-noise readout circuit is studied for 2-D capacitive microbolometer focal plane arrays (FPAs). In spite of the merits of the integration method, a simple and effective pixelwise readout circuit without integration is used for input circuit because of a small pixel size and narrow noise bandwidth. To reduce the power consumption and the kT/C noise, which is the dominant noise of the capacitive microbolometer FPAs with small capacitance, a new correlated double sampling (CDS) is used for columnwise circuit. The proposed circuit has been designed using a $0.35-{\mu}m$ 2-poly 4-metal CMOS process for a microbolometer array with a pixel size of $50{\mu}m{\times}50{\mu}m$. The proposed circuit effectively reduces the kT/C noise and the other low-frequency noise of microbolometer, and the noise characteristics of the fabricated chip have been verified by measurements. The rms noise voltage of the proposed circuit is reduced from 30 % to 55 % compared to that of the simple readout input circuit, and the noise equivalent temperature difference (NETD) of the proposed circuit is very low value of 21.5 mK.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

우수한 특성을 갖는 적외선 감지기를 구현하기 위해서 좋은 특성의 마이크로볼로미터를 제작 하는 일도 중요하지만, 마이크로볼로미터부터 전기 신호를 읽어내는 신호취득 회로의 특성 또한 매우 중요하다. 본 논문에서는 정전용량 방식 볼로미터에서 얻어진 정보를 효과적으로 처리하기 위한 저잡음 신호취득 회로를 제안하고자 한다.
본 연구를 통해서 정전용량 방식의 이차원 마이크로볼로미터를 위한 저잡음 신호취득 회로를 연구하였다. 비 적분형 방식의 간단하고 효과적인 픽셀 단위의 회로를 사용하고, 새로운 CDS 방식을 열 단위의 회로로 구현함으로써, 이차원 배열에 적합하고 전력소모가 작으며 kT/C 잡음 등을 포함한 저주파 잡음을 효과적으로 줄일 수 있도록 했다.

제안 방법

를 16 fF으로 설정하고 얻은 것이다. 각각 1000개의 디지털 샘플을 사용하여 히스토그램을 구하고, 정규분포의 표준편차를 이용하여 잡음을 추정한 것이다. 이 때, 측정 시스템의 잡음은 무시할 수 있을 정도로 작음을 확인했기 때문에 별도로 고려하지는 않았다.
본 연구를 통해서 정전용량 방식의 이차원 마이크로볼로미터를 위한 저잡음 신호취득 회로를 연구하였다. 비 적분형 방식의 간단하고 효과적인 픽셀 단위의 회로를 사용하고, 새로운 CDS 방식을 열 단위의 회로로 구현함으로써, 이차원 배열에 적합하고 전력소모가 작으며 kT/C 잡음 등을 포함한 저주파 잡음을 효과적으로 줄일 수 있도록 했다. 제안하는 신호취득 회로는 넓은 정전용량 범위에서 충분히 개선된 잡음 전압을 보이며, 전체 감지 시스템의 잡음등가온도차(NETD)를 21.
35-μm 2-poly 4-metal CMOS 공정을 사용하여 설계 및 제작했으며, 기준이 되는 볼로미터의 주요 파라미터를 표 1에 요약했다. 신호취득 회로의 속도, 전력소모, 전압 스윙 및 정전용량 등을 고려하여 공정을 선택하고 회로 설계를 진행했으며, 제시하는 결과는 제작된 칩에 대한 측정 결과이다.
제안하는 신호취득 회로는 0.35-μm 2-poly 4-metal CMOS 공정을 사용하여 설계 및 제작했으며, 기준이 되는 볼로미터의 주요 파라미터를 표 1에 요약했다.
우선 신호 취득 회로의 C_S를 원하는 값으로 설정한 상태에서, 측정 보드에서 공급되는 조정 신호를 이용하여 칩이 동작하고 출력을 전달한다. 칩과 측정 보드 간의 교류 결합을 위해, 측정보드 앞단에서 차단 주파수가 매우 낮은 고역 통과 필터(HFP)를 사용하고 잡음을 증폭한 후에 아날로그-디지털 변환을 수행한다. 디지털 변환된 잡음은 PC로 전달되는데, 이 과정에서 서로간의 동기를 맞추기 위한 인터럽트 신호(IRQ)가 필요하다.

데이터처리

우선 제안하는 신호취득 회로에 대한 기본적인 동작을 확인하기 위해서 CS 변화에 따른 V_OUT을 측정했고, 그 결과를 그림 8에 나타내었다.

성능/효과

제안하는 신호취득회로는 정전용량 방식의 볼로미터에 적합하며, 간단한 픽셀 단위의 회로를 사용하므로 픽셀 면적이 제한되는 이차원 배열의 볼로미터에 효과적으로 적용할 수 있다. 또한, CDS 방식을 적용하여 kT/C 잡음 등을 포함한 저주파 잡음을 줄일 수 있으며, CDS 회로를 열 단위로 공유하여 전력 소모를 크게 줄일 수 있다.
값을 변화시키면서 측정한 결과를 그림 11(a)에 나타냈으며, 제안하는 회로의 상대적인 잡음 감소 정도를 그림 11(b)에 나타냈다. 모든 C_S 값에 대해 제안하는 회로의 잡음이 크게 개선됨을 확인할 수 있으며, 잡음 개선 효과를 극대화하려면 볼로미터의 정전용량이 커야함을 알 수 있다. C_S 값이 작을 경우에 kT/C 잡음의 잡음 대역폭이 넓어지는데, CDS 방식은 고주파 잡음을 잘 제거하기 못 하기 때문에 C_S 값이 작을수록 그 효과가 떨어지는 것이다.
정전용량 방식의 볼로미터의 경우, 우선적으로 고려해야 하는 잡음은 kT/C 잡음으로서, 볼로미터의 정전용량이 작을수록 문제가 심각해진다. 잡음을 줄이기 위해서는 잡음 대역폭을 줄이는 것이 필요하므로, 우선 그림 3의 회로에 대한 잡음 대역폭을 시뮬레이션을 통해 구해보았고, 그 결과 약 3-10Hz 정도임을 알 수 있었다. 이와 같이, 잡음 대역폭이 비교적 낮은 상태이고 픽셀 면적의 제한으로 적분기를 픽셀 내부에 집적하기 어렵기 때문에, 잡음 대역폭을 더 낮추기 위해서 신호를 적분하는 방법은 바람직하지 못하다.
비 적분형 방식의 간단하고 효과적인 픽셀 단위의 회로를 사용하고, 새로운 CDS 방식을 열 단위의 회로로 구현함으로써, 이차원 배열에 적합하고 전력소모가 작으며 kT/C 잡음 등을 포함한 저주파 잡음을 효과적으로 줄일 수 있도록 했다. 제안하는 신호취득 회로는 넓은 정전용량 범위에서 충분히 개선된 잡음 전압을 보이며, 전체 감지 시스템의 잡음등가온도차(NETD)를 21.5 mK 정도로 낮출 수 있다.
제안하는 신호취득회로는 정전용량 방식의 볼로미터에 적합하며, 간단한 픽셀 단위의 회로를 사용하므로 픽셀 면적이 제한되는 이차원 배열의 볼로미터에 효과적으로 적용할 수 있다. 또한, CDS 방식을 적용하여 kT/C 잡음 등을 포함한 저주파 잡음을 줄일 수 있으며, CDS 회로를 열 단위로 공유하여 전력 소모를 크게 줄일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 영상 장치의 활용 분야는 무엇인가?	물체가 방사하는 적외선을 이용하여 빛이 없는 환경에서도 사물을 볼 수 있도록 하는 적외선 영상 장치는 현재 군사용, 의료용, 산업용으로 널리 사용되고 있다. 과거의 적외선 영상 시스템은 주로 군수분야를 중심으로 발전해왔으나, 최근 들어 자동차 시야 보조 장치 및 보안카메라와 같은 민수분야를 중심으로 시장이 급속하게 확대되고 있다.
	마이크로볼로미터의 복사량 결정 방법은 무엇인가?	일반적인 마이크로볼로미터의 경우, 적외선 복사를 흡수하여 볼로미터의 온도가 바뀌고 이에 따른 저항 변화를 통해 적외선 복사량을 결정하게 된다.[2～3] 이러한 저항 감지 방식의 경우, 볼로미터의 응답도를 높이기 위해 열전도도가 낮아야 하며, 이를 위해 주된 열 전도체인 지지대를 길고 얇게 만들어야 한다.
	마이크로볼로미터의 열전도체인 지지대를 길고 얇게 만들 경우 어떤 문제가 발생하는가?	[2～3] 이러한 저항 감지 방식의 경우, 볼로미터의 응답도를 높이기 위해 열전도도가 낮아야 하며, 이를 위해 주된 열 전도체인 지지대를 길고 얇게 만들어야 한다. 그러나 이는 적외선 흡수 면적을 낮추어 필 팩터를 감소시키게 되므로, 이 문제를 효과적으로 해결하기 위해서 최근에 정전용량 방식의 볼로미터가 개발되었다.[4]

참고문헌 (5)

E. Mounier, "Microbolometers for thermography and night vision markets," Proc. SPIE, Vol. 7930, pp. 79300E-1-79300E-6, Feb. 2011.
Y. S. Kim, et al, "Uncooled microbolometer arrays with high responsivity using meshed leg structure", IEEE Photonics Tech. Letters, Vol. 25, No. 21, pp. 2108-2110, Nov. 2013.

상세보기
D. Murphy, et al, "High sensitivity $25{\mu}m$ microbolometer FPAs", Proc. SPIE, Vol. 4721, pp. 99-110, 2002.
I. W. Kwon, J. E. Kim, C. H. Hwang, Y. S. Lee and H. C. Lee, "Design and fabrication of a capacitive infrared detector with a floating electrode and thermally isolatable bimorph legs", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 147, pp. 391-400, 2008.

상세보기
T. Kajita, G. C. Temes and U. K. Moon, "Correlated double sampling integrator insensitive to parasitic capacitance", Electronics Letters, Vol. 37, No. 3, pp. 151-153, 2001.

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