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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Extended electronic and optical solutions for sensitive infrared photodetection
Authors: Pablo Nunes Agra Belmonte
First Advisor: Davies William de Lima Monteiro
First Referee: Paulo Fernando Seixas
Second Referee: Wagner Nunes Rodrigues
Abstract: Esse trabalho tem como objetivo analisar as duas partes principais de um sistema de detecção no infravermelho, que são as partes ópticas e a eletrônica de leitura. Além disso, um exemplo idealizado de um sistema de detecção de CO2 é proposto, de forma a ilustrar como as diferentes partes devem ser integradas em uma aplicação prática. O propósito da eletrônica de leitura é fazer a interface com o fotodetector, para ler o seu sinal de corrente. No entanto, já que fotodetectores para o infravermelho apresentam baixa resistência paralela, alta corrente de escuro e ruído, não é uma tarefa trivial para o circuito de leitura conseguir extrair informação útil do detector. Logo, o emprego de circuitos especiais capazes de lidar com altas correntes de entrada, e também de controlar rigorosamente a tensão de polarização no detector, se faz necessário nesse contexto. Além do mais, circuitos de leitura para o infravermelho, geralmente precisam diminuir a sensibilidade do sistema de detecção, de forma que seja possível ler adequadamente altas correntes. Essa abordagem, no entanto, normalmente diminui a relação sinal ruído (SNR), especialmente para altas correntes. No entanto, somente uma parte dessa corrente está relacionada com o sinal útil, e a diminuição do SNR pode mascarar esse pequeno sinal. Portanto, apresentamos nesse trabalho um circuito denominado de pixel ricochete, que apresenta uma grande capacidade de armazenamento de carga necessária para acomodar altas correntes, e ainda com uma alta sensibilidade, sendo capaz de detectar pequenas variações em uma corrente relativamente alta. De fato, o SNR não pode aumentar além do SNR do fotodetector, que impõe o limite máximo. Porém, quanto maior a sensibilidade, mais perto o SNR do sistema fica daquele máximo imposto pelo detector. Além disso, uma versão especial do pixel ricochete é apresentada: o pixel ricochete cascode. Esse circuito apresenta um desempenho ainda melhor, sendo apropriado para aplicações no infravermelho, principalmente por causa de sua habilidade de manter uma tensão de polarização sobre o detector ainda mais estável. A parte óptica do sistema é composta sobretudo das microlentes, que aumenta o SNR do sistema ao amplificar o sinal óptico de entrada. Essas lentes precisam ser transparentes no espectro infravermelho, e o silício demonstra ser uma boa escolha, especialmente devido ao seu baixo custo, baixa densidade, e relativamente alto índice de refração. Portanto, é um material apropriado para lentes com distância focal curta, possibilitando a criação de sistemas compactos e leves. As microlentes de silício foram fabricadas usando uma técnica apresentada por de Lima Monteiro et al., 2003, que é mais barata do que os métodos convencionais. As amostras microfabricadas também foram caracterizadas, adquirindo informação de rugosidade e da vergência das lentes. Além disso, um experimento foi montado para a medição dos pontos focais das amostras, mostrando que os wafers de silício microusinados com o processo mencionado se comportam de fato como lentes convexas e convergentes. No entanto, silício é um material que apresenta alta reflectância, e se faz necessária a deposição de camadas antirreflexo sobre a sua superfície, para que a transmitância seja maximizada nos comprimentos de onda alvo. Para tal, usamos a técnica LPCVD deposited low stress Si-rich nitride para depositar camadas de SiN (Nitreto de Silício) de várias espessuras, e medimos suas transmitâncias. Perfis de transmitância muito bons foram encontrados em torno de 4.2 m (um dos comprimentos de onda em que CO2 absorve), apesar de que as constantes ópticas usadas para as simulações dos projetos com SiN não eram adequadas. Por este motivo, um novo conjunto de constantes ópticas foi extraído das medições, permitindo que futuros projetos com SiN otimizados para outros comprimentos de onda (dentro de uma faixa do infravermelho) possam ser simulados de forma confiável. Ao final, ambas as partes do sistema foram integradas visando uma aplicação idealizadapara um sistema de detecção de CO2. Um modelo que descreve o espectro de absorção de CO2 foi implementado para emular o sistema real. Com isso, pudemos concluir que o uso das microlentes de silício mais a camada antirreflexo, e o pixel ricochete podem potencialmente trazer o SNR do sistema para perto do SNR do detector, para toda a faixa de correntes de entrada, uma vez que a sensibilidade é mantida bem alta. Para esse sistema idealizado, poderiam ser detectadas variações muito pequenas de concentração de CO2, exemplificando o desempenho realizável com tal sistema.
Abstract: This work aims to address the two main parts of an infrared photodetection system, which are the optics and the readout electronics. Also, an idealized example of a CO2 gas detection system is presented, in order to illustrate how the different parts should be coupled together in a practical application. The purpose of the readout electronics is to interface with a photodetector, reading out its input signal. However, since an infrared photodetector features low shunt resistance, large dark current, and large noise, it is not a trivial task for the readout electronics toproperly extract signal information from the detector. Therefore, especial circuits able to handle large input currents, and capable of tightly control the voltage bias across the detector are desired in this context. In addition, generally infrared readout circuits need to decrease the sensitivity of the detection system, so that larger currents can be properly read. This approach, however, usually decreases the Signal to Noise Ratio (SNR), especially for larger currents. Nonetheless, only a small portion of this current is related to the useful signal, and decreasing the SNR can mask this small current signal. Therefore, we present in this work a circuit, coined as the bouncing pixel, that presents a large charge storage capacity necessary to accommodate large currents, and yet with a very high sensitivity, being able to sense small differences in relatively high input currents. In fact, the SNR cannot increase above the SNR of the photodetector, that imposes the maximum limit. However, the larger the sensitivity, the closer the overall system SNR is to that of the detector. Also, a special version of the bouncing pixel is presented: the cascoded bouncing pixel. This circuit presents an even better performance, being suitable for infrared applications, mainly due to its ability of maintaining an even more stable voltage bias across the detector. The optical part of the system is comprised mainly by microlenses, that enhance the SNRof the system by strengthening the input optical signal. These lenses need to be transparent at the infrared range, and silicon proves to be a good choice, due to its low cost, low density, and relatively high refraction index. Therefore, it is a material suitable for lenses with very short focallength, allowing compact and light weighted systems. The silicon microlenses were fabricated using a process technique presented by de Lima Monteiro et al., 2003, that is less expensive than the conventional ones. The micromachined samples were also characterized, acquiringinformation of roughness and vergence of the lenses. In addition, a setup was assembled in order to measure the focal points of the samples, showing that the silicon wafers micromachined with the presented process actually behave as convex verging lenses. However, silicon features a high surface reflectance, and an anti-reflective coating needs to be deposited over the silicon surface, in order to maximize transmittance at the desired wavelength range. We have used theLPCVD deposited low stress Si rich nitride technique to deposit SiN layers of various thicknesses, and measured their transmittances. Very good transmittance profiles were found near 4.2 m (one of the wavelengths at which CO2 absorbs), although the optical constants dataset used for the SiN design simulations were not appropriate. Therefore, an updated fitting dataset wereextracted from measurements, allowing future designs with SiN aiming at different wavelengths(within a given range in the infrared) to be reliably simulated.At the end, both optical and electronic parts are coupled together in the idealized application of a CO2 gas detection system. A model was implemented describing the wavelength dependent CO2 gas absorption to emulate the real application. We were able to conclude that theuse of the silicon microlenses plus the anti-reflective coating and the bouncing pixel can potentially bring the SNR of the system closer to that of the photodetector, for the whole input range of currents, since the sensitivity is kept very high. For the idealized system, very smallchanges in the CO2 gas concentration could be detected, exemplifying the achievable performance of such system.
Subject: Engenharia elétrica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AP9LZZ
Issue Date: 20-Feb-2017
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