A new TEC-less Readout Integrated Circuit (ROIC) for application in an amorphous silicon based micro-bolometer array is developed. The proposed circuit uses a current mirror with reference bolometers, optical bolometers, a bias voltage feedback circuit and a CTIA (Capacitance Trans-Impedance Amplifier). The current which is integrated in the integration capacitors consists of the current which flows in the optical bolometers minus the current which flows in the reference bolometers. This skimming function is intrinsically performed by means of these reference bolometers and the current mirroring operation. The bias voltage feedback circuit gives individual bias points to the ROIC as the substrate temperature changes. This bias voltage feedback circuits prevents the integration capacitor from saturating. This method provides more improved operating temperature range of the readout integrated circuit. This readout circuit was fabricated using a 0.35????m CMOS process for LWIR (8????m~14????m) IR detector array.
본 연구에서는 비정질 실리콘 기반의 마이크로볼로미터 어레이의 응용을 위한 새로운 TEC-less 신호취득회로를 설계하였다. 제안된 신호취득회로는 참조 볼로미터, 광학 볼로미터, 바이어스 전압 피드백 회로와 CTIA(Capacitance Trans-Impedance Amplifier)를 이용하였으며, 전류 미러 방식을 이용하여 구성되었다.
적외선 센서가 동작하는 온도가 높아질 경우 볼로미터의 저항값은 급격히 낮아지게 되고 이에 흐르는 전류는 역으로 급격하게 증가하게 되어 신호를 적분하는 적분콘덴서는 쉽게 포화되어 더 이상 신호가 들어오더라도 제대로 읽어 들이지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 제안된 신호취득회로는 기존의 방식에서 외부온도가 높은 온도로 상승하게 되었을 때 적분콘덴서가 포화되어 제대로 동작하지 않게 되는 문제점을 효과적으로 막아주게 되며, 약 100K 이상의 넓은 온도 영역에서의 동작 범위를 확보하고, 이 동작 온도 범위 내에서 콘덴서에 적분되는 신호전류의 수준이 바이어스 전압 피드백 회로에 의해서 일정하게 유지되도록 하는 특성을 보였다.
LWIR(8um~14um) IR 검출기 어레이를 위하여 회로제작에 사용한 공정은 0.35um 2-poly 4-metal 매그나칩/하이닉스 CMOS 공정이었다. 측정 결과 높은 온도에서도 적분콘덴서에 집적되는 전류가 약 100K의 온도 영역에서 콘덴서를 포화시키지 않으면서 신호가 처리되는 것을 확인할 수 있었다.
제안된 새로운 구조의 장점은 앞서 문헌에서 발표되었던 소자들과 달리 TEC가 없이도 동작할 수 있어서 저전력, 저비용, 작은 크기의 시스템으로 적외선 센서를 구현하는 것이 가능해지며, TEC-less로 동작하는 범위를 크게 넓혀주므로, TEC-less ROIC를 구성하는 것을 훨씬 용이하게 해준다. 따라서 본 연구에서 제안된 구조는 온도의 변화가 심한 악조건에서 신뢰성 있게 동작되어야 하는 군수용뿐 아니라 민수용으로도 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
보다 넓은 구간에서 안정적으로 정확하게 동작하게 하는 연구와 피드백 회로에 대한 연구가 필요하다.
