This dissertation proposes a multiple digital correlated double sampling (MDCDS) readout method for uncooled microbolometer infrared focal plane array (IRFPA) thermal imaging sensor. The proposed MDCDS readout method employing a newly designed reference-cell has the output characteristics with a strong tolerance to process-, voltage- and temperature- (PVT) variation by forming a differential current bridge in discrete time domain. Therefore, MDCDS readout method greatly reduces PVT variation induced fixed pattern noise (FPN) and also alleviates the burden of requirements for the both hardware and software in IRFPA thermal imaging system. As a result, it features much relaxed non-uniformity correction (NUC) process, easier TEC-less operation and Shutter-less operation. The readout integrated circuit (ROIC) and microbolometer infrared detector was fabricated in 0.35 μm CMOS and amorphous silicon MEMS process respectively. The fabricated thermal imaging sensor has NETD performance of 0.1 kelvin even though the mechanical shutter is not used.
본 논문에서는 비냉각식 마이크로볼로미터 열영상센서를 위한 다중 디지털 상관 이중 샘플링 (MDCDS) 검출 방식을 제안한다. 제안하는 MDCDS 방식은 새롭게 도입한 기준-셀을 적용하여 디지털 영역에서 차동 전류 브리지를 형성시킴으로써, 공정, 전압, 그리고 온도 변동에 대하여 강인한 출력특성을 갖는다. 따라서, 열영상센서의 성능을 제한시켰던 고정패턴잡음을 크게 감축시켰으며 시스템에서 요구하는 하드웨어 및 소프트웨어의 부담을 경감시켰다. 그 결과, 복잡한 디지털 보정과정은 완화되었으며 시스템의 크기, 무게, 전력소모 및 비용을 상승시켰던 열전냉각기 및 기계적 셔터의 제거가 가능해졌다. 구현 된 열영상센서의 검출회로 및 볼로미터 적외선 검출기는 각각 0.35 μm CMOS 공정과 MEMS 마이크로머시닝 공정을 이용하여 집적되었으며, 기계적 셔터를 제거한 상태에서 0.1 ℃의 온도분해능 성능을 달성하였다.
