Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

A low-cost uncooled infrared detector array and its camera electronics

Düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi detektör dizini ve kamera elektroniği

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 286110 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

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.

Summary:

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.