CC BY
18СХЕМОТЕХНИКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ CIRCUIT ENGINEERING AND DESIGN
УДК 621.383.3
Проектирование многоэлементного теплового приемника инфракрасного излучения
Е.Ф. Певцов, А. С. Сигов, А.А. Шнякин
Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики
Pyroelectric Uncooled Focal Plane Array Design
E.Ph. Pevtsov, A.S. Sigov, A.A. Shnyakin
Moscow State Technical University of Radioengineering, Electronics and Automation
Представлены решения, полученные в ходе проектирования интегрального многоэлементного теплового приемника, в котором матрица детекторных элементов сформирована из тонкой сегнетоэлектрической пленки. На основе инструментов САПР оптимизированы параметры схемы считывания сигналов пироэлектрических детекторов и сформирован комплект документации для изготовления ИС приемника с нормами проектирования 0,18 мкм. Отличительной особенностью предложенной разработки является возможность параметрической подстройки коэффициентов преобразования за счет переполяризации каждого элемента матрицы сегнетоэлектрика в процессе калибровки.
Ключевые слова: матричные пироэлектрические приемники ИК-излучения; параметрическая коррекция неоднородности чувствительности.
The solutions obtained in designing the integrated multi-element thermal detector, in which the array of the detector elements had been formed from the ferroelectric thin film, have been presented. On the basis of the CAD system the tools parameters of the readout circuit of signals of the pyroelectric detectors have been optimized and a set of documentation for manufacturing the receiver integrated circuit with the design standards of 0.18 microns has been formed. A distinctive feature of the proposed development is the ability to adjust paramet-rically the conversion coefficients due to polarization of each array element of the ferroelectric in the calibration process.
Keywords: array pyroelectric IR-detectors; sensitivity nonuniformity parametric correction.
© Е.Ф. Певцов, А.С. Сигов, А.А. Шнякин, 2015
Введение. В настоящее время на рынке портативных систем визуализации инфракрасного излучения доминируют устройства с матричными приемниками на основе микроболометров [1]. Однако разработка интегральных пироэлектрических приемников остается актуальной [2, 3]. Перспективность работ в этом направлении обосновывается специфическими преимуществами активных диэлектриков, в частности это дифференциальный характер сигналов, стойкость к воздействию ионизирующих излучений, а также возможность управлять коэффициентом преобразования путем изменения их поляризации при калибровке [4, 5].
Цель настоящей работы - модельные исследования, проектирование и оптимизация параметров ИС считывания и обработки сигналов многоэлементного теплового приемника излучения с характеристиками, соответствующими современному уровню разработок в области портативных тепловизионных систем без сканирования с приемниками в фокальной плоскости.
Оценки параметров чувствительности пироэлектрического приемника. В качестве основного параметра, характеризующего чувствительность приемника, выбрана разность температур, эквивалентная шуму (NETD). Этот критерий позволяет сравнивать возможности систем визуализации, различать температуру на наблюдаемом объекте. Исходные данные для расчетов следующие: спектральная плотность потока излучения; контрастность объекта наблюдения; изменение спектральной плотности потока излучения с температурой. В расчетах предполагалось, что приемник должен работать в диапазоне 8-14 мкм, различать объекты на фоне сцены, температура которой составляет 300 К. Конструкция матрицы аналогична конструкции матричных микроболометров [1]. Приведем исходные данные для расчета характеристик пироэлектрического
приемника, подключенного к затвору МОП-транзистора:
Площадь единичного приемника A, м2...................................................................110 8
Удельная теплоемкость материала приемника cE, Дж/м3К................................2,3 106
Удельное электрическое сопротивление материала приемника р, Омм............3-1010
Электрическая емкость затвора транзистора CA, Ф .............................................1-10"12
Электрическая емкость приемника CE, Ф ..........................................................0,4-10~12
Толщина пироэлектрического слоя d, м ................................................................1-10_6
Общая теплопроводность элементов конструкции GT, Вт/К ...............................2-10~6
Коэффициент теплопроводности K, Вт/м К .............................................................0,13
Пироэлектрический коэффициент p, Кл/м2К ....................................................0,5-Ш"4
Общая теплоемкость приемника H (H=cVAd), Дж/К .........................................2,3-10~8
Сопротивление приемника RE, Ом .........................................................................3 1012
Сопротивление нагрузки RL, Ом .............................................................................11011
Внутреннее сопротивление усилителя RA, Ом ......................................................11011
Тангенс диэлектрических потерь tan 5, отн. ед........................................................0,02
Диэлектрическая проницаемость пироэлектрика в, отн. ед..........................................5
Спектральная плотность тока утечки затвора транзистора iL, А/Гц12 ...............3-10~16
Параметры, характеризующие
собственный шум транзистора eA, В/Гц .......................................................210-8
1/f шум z, В......................................................................................................1,110 6
Тепловые характеристики конструкции - средняя температура и суммарная теплопроводность - определены с помощью специально разработанного оригинального комплекта программ, в которых методом сеток вычислялся профиль температуры приемника в разные моменты времени после ступенчатого изменения температуры сцены [6].
Если пироэлектрический приемник подключен к затвору полевого транзистора, характеризующегося входным сопротивлением RA и емкостью Сл, то его вольтовая чувствительность на частоте модуляции ш определяется выражением
рАЯ-^ш
Rv =
GT(l + ш2x2ef2(l + ш2т2f2 '
H
где xT =- - тепловая постоянная времени; xE = R^C^. - электрическая постоянная
GT
времени. При этом gz =-1— = -1— + шСя tan8 + —— + —--эквивалентная активная про-
R re rl ra
водимость на входе схемы; C = Ся + C + C - эквивалентная входная электрическая емкость.
Анализ источников шума пироэлектрического приемника приводит к эквивалентной схеме с генераторами шума. Соответствующие компоненты шума, приведенные ко входу усилителя, определяются по известным соотношениям [7]:
- ЭДС шума, обусловленного тепловыми флуктуациями температуры приемника:
vT = RV (4kTGT )1/2;
- ЭДС шума, вызванного тепловыми флуктуациями проводимости (джонсонов-ский шум):
Vr =
(4k/gv)
1/2
Y '
где |Y| =
С 1 1 О
--ьшСЕ tan8ь---1—
V re rl ra j
2
ьш2 (Ce + Ca + Cl )2
1/2
полная проводимость,
приведенная ко входу усилителя;
- ЭДС шума тока утечки затвора на входе усилителя:
41/2
V =
(2eÍL )1
где ^ - ток утечки затвора транзистора, имеющий типичное значение 1-2 • 10 14 А; - ЭДС шума проводимости канала транзистора и 1// шум:
VA =
( 7
2 Z ш
1/2
где еА и г - коэффициенты, характеризующие собственный шум транзистора
и 1// шум соответственно (типовые значения еА = 1-10-8 В/Гц1/2 и г = 1-4 • 10-6 В ).
Соответствующие частотные зависимости, рассчитанные для конкретных параметров приемника, приведены на рис.1 и 2.
Частота модуляции, Гц
Рис.1. Шумы в схеме пироэлектрического приемника с усилителем: -□- шум проводимости; -+- тепловой шум; -о- шум тока утечки затвора; -■- шум канала МОП-транзистора; -♦- суммарный шум; -♦- чувствительность
1 10 100 1000 юооо
Частота модуляции, Гц
Рис.2. Чувствительность и эквивалентная шуму разность температур пироэлектрического приемника в схеме с усилителем:-чувствительность детектора; -•- при толщине приемника 1 мкм; -□- NETD при толщине приемника 2 мкм
Схема модуля считывания сигнала. Схема модуля считывания сигналов от пироэлектрического детекторного элемента матрицы интегрального приемника излучения приведена на рис.3.
Рис. 3. Схема модуля считывания сигналов от пироэлектрического детекторного элемента
Пироэлектрический детектор подключен к затвору транзистора T2, который вместе с транзистором Т3 образует преобразователь пироэлектрического заряда в напряжение, соединенный конденсатором связи C1 с усилителем на транзисторах T6 и T7. Транзистор T1 служит для установки узла считывания в начальное состояние напряжением Vre по сигналу Fre. Коэффициент преобразования и входной импеданс этого каскада определяется напряжением V1, приложенным к затвору транзистора T3 , от которого зависит входной ток каскада. Транзисторы T6 и T7 составляют инвертирующий усилительный каскад. Коэффициент преобразования этого каскада определяется током усилителя, т.е. напряжением V2, приложенным к затвору T7. Конденсатор C1 осуществляет связь между каскадами по переменной составляющей сигнала. Ключ на транзисторе T4 позволяет выбирать режимы работы устройства.
Для оптимизации модуля считывания по критерию максимального усиления инструментами Virtuoso САПР Cadence Design Systems проведено моделирование режимов работы модуля считывания с выбранными характеристиками детекторов излучения. Параметры моделирования амплитудно-частотных характеристик следующие: напряжения V1 и V2 на затворах транзисторов T3 и Т7; длина L и ширина W каналов транзисторов Т6 и Т7. В результате оптимизации амплитуда выходного сигнала достигает максимальных значений при L = 7,48 мкм и W = 2 мкм и напряжениях на затворах V1 = 1,65 В, V2 = 0,93 В.
Проектирование матрицы приемников. Проектирование топологии матрицы формата 320^240 пикселей, основную площадь которой занимает двумерный массив модулей считывания сигналов от пироэлектрических детекторов с размерами 50^50 мкм, выполнено инструментами САПР Cadence Design Systems. Весь проект выполнен в базисе библиотек стандартных КМОП-элементов с топологической нормой 180 нм. Для проектирования цифровой части приемника разработаны поведенческие Verilog-описания цифровых модулей и проведен синтез топологии этих модулей в базисе КМОП-библиотеки стандартных элементов. Фрагмент чертежа оригинальной топологии матрицы [8] представлен на рис.4.
Параметрическая коррекция неоднородности чувствительности. Функциональная схема ИС ИК-приемника приведена на рис.5. С целью уменьшения пространственного геометрического шума, присущего всем приемникам без сканирования и возникающего из-за неоднородности чувствительности детекторных элементов, в данном проекте реализована параметрическая подстройка коэффициентов преобразования за счет переполяризации каждого пикселя приемника. В основе разработки лежит предсказанная в феноменологической теории сегнетоэлектричества и подтвержденная экспериментально зависимость пироэлектрического коэффициента от состояния поляризации сегнетоэлектрика [4, 5].
Адресация к каждой ячейке считывания осуществляется с помощью дешифраторов байтовых слов, формируемых устройством управления на линиях строк и столбцов. В зависимости от сигнала на шине управления в каждой элементарной ячейке возможно выполнение одной из трех функций: поляризация детекторного элемента при калибровке, сброс схемы выходного усилителя; чтение сигнала. Соответствующие внутренние сигналы в ячейках считывания Fre, Fdec и Flec формируются с помощью логических сигналов управления Res, D_C, Lec и сигнала дешифрации адреса ячейки. При разрешении чтения выход каждой ячейки считывания соединяется с внутренней шиной данных. В результате сигнал от каждого пикселя приемника через преобразователь им-педансов, предусилитель и усилитель поступает на формирователь сигнала изображения, работа которого синхронизирована с адресной шиной. Выходной сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью СФ-блока АЦП.
£ *
■ ;ijff! |1 □ 1
I
= - —
Рис.4. Фрагмент чертежа оригинальной топологии матрицы
Рис. 5. Функциональная схема ИС ИК-приемника
Коррекция неоднородности чувствительности осуществляется в цикле калибровки при закрытой шторке путем поляризации сегнетоэлектрических детекторных элементов. Каждый из элементов поляризуется приложением к его электродам возрастающего от цикла к циклу напряжения при соответствующем положении ключа Fre так, чтобы сигналы от всех детекторных элементов приняли после калибровки одинаковое заданное значение [9]. Функция калибровки реализуется приложением внешнего напряжения смещения Vre, синхронно с моментами перекрывания оптического канала модулятором. Модуль коррекции неоднородности чувствительности включает источник опорного напряжения, генератор пилообразного напряжения поляризации Vre, счетчик тактов калибровки и компараторы. Источник опорного напряжения задает уровень выходного сигнала после калибровки, который сравнивается с напряжениями на выходах модулей преобразования пироэлектрических зарядов в напряжения. В зависимости от результата сравнения в следующий такт калибровки к сигнальным электродам детекторов подключается или не подключается выход генератора поляризующего напряжения, значение которого возрастает на протяжении всего периода калибровки.
Заключение. Предложенная методика расчета параметров пироэлектрического приемника теплового излучения позволяет проводить сравнительные оценки характеристик приемников излучения на пироэлектрических тонких пленках. Методика основана на определении переходной функции средней температуры пироэлектрических слоев и соотношений сигнал/шум. В конструкции разработанного приемника с толщиной пленки из органического пироэлектрического материала порядка 1 мкм, со схемой считывания на основе МОП-структур при размерах единичного элемента 50*50 мкм достигаются значения NETD, не превышающие десятых долей градуса.
В базисе КМОП-библиотеки с нормами проектирования 0,18 мкм по методологии fabless-проектирования разработана схема модуля считывания сигнала от пикселя пироэлектрического приемника и проведено ее моделирование исходя из критерия максимального усиления сигналов, выполнена оптимизация параметров элементов схемы. Разработанная оригинальная топология интегральной схемы позволяет считывать сигналы матрицы пироэлектрических детекторов.
Метод параметрической коррекции неоднородности чувствительности, основанный на поляризации детекторных элементов матрицы приемников, сформированной из тонкой сегнетоэлектрической пленки, позволяет снизить пространственные шумы изображения. Функциональная схема интегрального приемника излучения реализует такую коррекцию, в результате чего сигнал к пространственному шуму принимает значение, достаточное для решения задач обнаружения объектов в инфракрасном диапазоне без применения дополнительных схем цифровой обработки сигналов. Это позволяет сократить энергопотребление и массогабариты тепловизионных систем.
Литература
1. Kevin C. Liddiard application of mosaic pixel microbolometer technology to very high-performance, low-cost thermography and pedestrian detection // Infrared Technology and Applications XXXIX. Proc. of SPIE. -2013. - Vol. 8704 - 87043F. - DOI: 10.1117/12.2018593.
2. Jinan Zeng, Hanssen L.M., Eppeldauer G.P. Evaluation of dome-input geometry for pyroelectric detectors // Infrared Imaging Systems: Design, Analysis, Modeling, and Testing XXIV. Proc. of SPIE. - 2013. -Vol. 8706B.- DOI: 10.1117/12.2016261.
3. Holden A. Pyroelectric sensor arrays for detection and thermal imaging // Infrared Technology and Applications XXXIX. Proc. of SPIE. - 2013. - Vol. 8704. -87041N. - DOI: 10.1117/12.2014239.
4. Pyroelectric properties of thin ferroelectric films and their applications for integrated circuits / E.Ph. Pevtsov, M.I. Maleto, V.I. Petrovsky et al. // Microelectronic Engineering. - 1995. - Vol. 29. - P. 97-100.
5. Maleto M.I., Pevtsov E.Ph., Sigov A.S., Svotina A.P. Polarization switching and dielectric properties of PZT structures // Integrated Ferroelectrics . - 2002. - Vol. 43. - P. 129-134.
6. Певцов А.Е., Сергеев А.А. Программа расчетов профилей температуры тепловых приемников излучения // Программы для электронных вычислительных машин (программы для ЭВМ). Свидетельство о регистрации: Россия № 2014610499 от 10.01.2014.
7. Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. -М.: Радио и связь, 1992. - 400 с.
8. Певцов Е.Ф., Шнякин А.А. Модуль ввода сигнала интегральной схемы многоэлементного теплового приемника излучения // Топологии интегральных микросхем. Свидетельство о регистрации: Россия, № 2012630115 от 15.08.2012.
9. Тепловой многоэлементный приемник с коррекцией неоднородности чувствительности // Свидетельство № 137155 РФ № 2013143362/28. - 2011. - Бюл. № 3.
Статья поступила 22 октября 2014г.
Певцов Евгений Филиппович - кандидат технических наук, доцент, директор Центра проектирования интегральных схем, устройств наноэлектроники и микросистем Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ МИРЭА). Область научных интересов: электрофизика структур на основе тонких сегнетоэлектрических пленок, пироэлектричество, тепловые приемники излучения и тепловизионные системы, информационно-измерительные системы, системы автоматизированного проектирования интегральных схем. E-mail: pevtsov@mirea.ru
Сигов Александр Сергеевич - академик РАН, профессор, президент МГТУ МИРЭА. Область научных интересов: исследование физических свойств систем с пониженной размерностью и/или структурным беспорядком, создание на их основе функциональных устройств нано- и микроэлектроники.
Шнякин Александр Андреевич - аспирант кафедры физики конденсированного состояния МГТУ МИРЭА. Область научных интересов: проектирование аналоговых и цифровых интегральных схем в программной среде САПР Cadence.
