256光电管阵列四象限CMOS光电传感器研究

来源 :浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wsykxc1429
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪,搜索装置,精密测量,如激光微定位、位移监控、精密机床的光电控制等领域。传统的硅象限传感器主要采用四象限,八象限的结构,采用焊接的方式将分别制造的感光象限和电路结合在一起,不能实现感光象限与信号处理电路的单芯片集成,难以实现器件的微型化和系统优化;同时,传统象限传感器的感光象限单元数量较少,获取的目标信息有限,难以实现对目标的坐标位置获取、形状识别等功能。 在本研究中,将传统的象限传感器与当前迅速发展的CMOS图象传感器相结合,提出了使用有源传感阵列感光的256单元光电管阵列四象限CMOS光电传感器。该传感器的感光单元采用了CMOS图象传感器中使用的有源像素传感器(Active Pixel Sensor,APS)设计,在感光单元内部由光电信号预处理电路直接将传感产生的光电信号转化为幅度较大的电信号输出,避免了对微弱信号的处理,降低了噪声的影响。传感器应用阵列采集光信号,可以直接确定目标光源的坐标位置并实现一步到位的快速调整。传感器使用标准CMOS工艺制造,将传感阵列与信号处理电路集成在同一芯片上,可以实现传感器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)设计。针对CMOS制造工艺中MOS器件固定模式噪声(Fixed Pattern Noise,FPN)较大的不足,研究中采用了相关二次采样(Correlated Double Sampling,CDS)电路降低固定模式噪声,从而提高了传感器的信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)。针对CMOS光电传感器感光动态范围不大的不足,提出了改变复位信号频率两次扫描的传感器工作方式,有效提高了传感器的感光动念范围。 本研究中的256光电管阵列四象限光电传感器包含有16×16有源光电管阵列,相关二次采样降噪电路,输出缓冲放大电路和数字控制电路四个主要模块。传感阵列中各列感光单元的传感信号并行输出,分别由对应的相关二次采样电路进行降噪处理,去除固定模式噪声后的信号通过输出缓冲放大电路进行输出。整个传感系统在数字控制部分电路产生的控制信号的作用下工作。 本研究中的256光电管阵列四象限光电传感器采用了上华0.6μm两层金属两层多晶硅CMOS标准工艺制造。传感器感光单元的面积为60μm×60μm,感 .一浙江大学硕士学位论文 摘要光面积百分比(Fill Factor)为 64.5%,传感阵列中光电管为 16 XI6排列,芯片面积为 2.smm X 2石mm,电源电压为 SV。复位信号为 SV时的单帧感光动态范围为60dB,采用改变复位信号频率的二次扫描方式可将传感器的总的感光动态范围扩大到 84dB,可对 0石*~10,000lX光照强度的信号进行传感。 在对感光单元进行器件物理结构优化的研究中,通过采用深结深光电管结构,提高了传感器的感光响应,其中 P+M阶”衬底结构的传感器面积为 100 umX 100urn,感光面积百分比为77石%,可对0刀*~98,000lx照度的目标信号进行传感,感光灵敏度大于 3 SV/IX·S,采用了变频两次扫描后,动态范围可达139.sdB,在己经报道的传感器中处于较高的水平。 本文的第一章主要介绍了图象传感器和象限传感器的发展,特点和比较。其中对传统的马赛克结构图象传感器和新出现的 Fovea X3 结构的图象传感器结构,CMOS传感器和 CCD传感器的比较都进行了详细的介绍。第二章主要介绍 传感器的各种感光单元结构,包括无源感光单元和有源感光单元的结构,并且对 传感器中的各种噪声进行了分析。第三章主要介绍了本设计中的256光电管阵列 四象限光电传感器感光单元模型建立,各个模块的电路设计和仿真,同时也对电’路的具体工作原理和方式进行了详细的介绍。第四章介绍了本设计中传感器的版 图设计以及各种不同传感单元结构在器件物理结构上的优化设计。第五章主要介 绍了通过数字电路设计方法(Verilog语言描述,Synopsys软件综合,Cadence SE 自动布局布线)进行数字控制电路设计的方法以及传感器感光动态范围调整的设 计考虑。第六章介绍了传感器的测试方法和测试结果以及对测试结果的分析,提 出在新的设计中应该注意的问题。第七章对整个设计工作进行了总结,并提出了 下一步的设计工作中可以进一步发展深入的方向。 0 五二
其他文献
为研究石灰钢渣稳定土击实特性,分析影响其最大干密度ρmax与最优含水率wopt的多种因素,以某高速公路沿线低液限黏土为研究对象,在综合考虑钢渣掺量、钢渣陈化龄期、钢渣最大
为解决综采工作面坚硬顶板悬顶难垮问题,山西高平科兴米山煤业在15112工作面切眼及顺槽超前支护段进行了水力致裂顶板试验,通过该试验,较好地解决了工作面坚硬顶板初放及端头
经济合同是一个企业经济往来最重要的法律性文件,签订合同的法律主体都是平等的,当事人行使自己权利,履行自己义务应当遵循诚实信用的原则,一方不得将自己的意志强加给对方,
在盾构近接工程中,隧道周围的土体荷载可能不再是半无限土体中的规则分布。从结构力学力法基本原理出发,通过对荷载分布的离散化处理,建立了一种通用的解析计算方法,可以计算
煤矿掘进作业中,常常会出现巷道基准轴线与掘进机位姿测量不一致的情况。为了解决掘进作业中掘进机的位姿自动测定的问题,文章结合悬臂式掘进机的结构和工作方式,提出一种iGP
对于不具备开挖加固处治条件的既有地下结构物,其加固方式通常只能选择非开挖桩式方案,但由于滇池流域地层中含有泥炭质土层,其特殊的物理及化学性能,无法与水泥有效结合,水
随着矿井不断的生产开采,采空区会持续冒落,动压作用于巷道造成巷道形变,继而挤压破坏巷道中的风门设施。通过将风门设计为整体框架式结构,整体风门可嵌套至墙体中做轻微位移
为确定含软弱夹矸厚煤层巷道层位,减少夹矸对煤巷围岩承载的弱化,结合西川煤矿的具体工程地质条件,提出了六种可行的巷道层位布置方案,采用数值模拟的方法计算分析了六种巷道