17051

17051

طراحي يك حسگر تصويربرداري CMOS نانومتري باقابليت ذخيره‌سازي انرژي

كارشناسي ارشد

الكترونيك

شهريور ماه 1395

دكتر محمد عظيم كرمي

برق

چكيده در اين پايان‌نامه، علاوه بر بررسي كامل مشخصات نواحي حساس به نور موجود در حسگرهاي تصويربرداري رايج ارائه‌شده در فن‌آوري 90 نانومتر CMOS، سه حسگر تصويربرداري باقابليت ذخيره‌سازي انرژي از نور محيط نيز طراحي و شبيه‌سازي ‌شده است. در اين حسگرها تلاش شده است كه ضمن پايين نگه‌داشتن توان مصرفي پيكسل، معيارهاي شايستگي تصويربرداري و توان قابل استحصال، حداكثر شود. براي اين منظور، ايده موجود در پيكسل‌هاي چهار ترانزيستوري CMOS، در حسگرهاي با عملكرد دوگانه(تصويربرداري و ذخيره‌سازي انرژي) مورداستفاده قرار گرفته است. همچنين در اين پايان‌نامه از فن‌آوري نانومتري CMOS و قابليت‌هاي آن براي طراحي حسگرهايي باقابليت ذخيره انرژي بهره گرفته ‌شده است. حسگر اصلي اين پايان‌نامه، ساختاري دو پيكسلي با گام پيكسل 17 ميكرون مي‌باشد كه در فن‌آوري 90 نانومتر CMOS طراحي‌شده و در آن از پيوند دوگانه p+/n-well/p-sub در نواحي حساس به نور و نفوذ شناور ، استفاده شده است. در اين ساختار با استفاده از روش نورگيري دو زمانه با ساختاري خاص، گستره سنجش dB 68.96 حاصل‌ شده است. حسگر فوق داراي توان مصرفي pW61.43 در نرخ تصويربرداري fps25 و توليد توان nW 1.67 تحت تابش نور با شدت klx 60 در هر پيكسل مي‌باشد. پيكسل پيشنهادي توانسته است بهره تبديل μV⁄e^- 1.69 را ارائه كند. دستيابي هم‌زمان به بهره تبديل و گستره سنجش مطلوب، نتيجه استفاده از ايده اوليه ساختارهاي چهار ترانزيستوري مي‌باشد. همچنين دستيابي به گستره سنجش بالا در كنار توان مصرفي نسبتاً پايين، ناشي از به‌كارگيري روش‌هايي مانند بازنشاني با ترانزيستور نوع p و نورگيري دو زمانه مي‌باشد كه در طراحي هر يك از آن‌ها نيز برخي ملاحظات براي كاهش توان مصرفي لحاظ شده است. واژه‌هاي كليدي: حسگر تصويربرداري CMOS، ذخيره‌سازي انرژي، حسگر توان پايين، گستره سنجش بالا.

1396/01/19

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract In this project, in addition to full review on the light-sensitive areas in 90nm CMOS technology, design an​d simulation of three image sensor enhanced by energy harvesting from ambient light is completely done. Efforts have been made in the trends of keeping the sensor power consumption to be low, while imaging characteristics an​d energy harvesting rates become maximum. For this purpose, the main idea of the four-transistor pixels is used in the energy harvesting an​d imaging sensors. In this project a nanometer CMOS technology has been used to design energy harvesting an​d imaging sensors that up to this time has not been reported in any article. The project's main sensor is a pixel structure with 17µm pixel pitch that designed in 90nm CMOS technology an​d use from p+/n-well/p-sub double junction in its photosensitive area an​d floating diffusion. In this structure with using dual exposure time method in a particular structure, dynamic range of 68.96 dB is achieved which is the highest dynamic range reported for a linear energy harvesting an​d imaging sensor. This sensor has the power consumption of 61.43 pW per pixel at 25 fps frame rate an​d power generation of 1.67 nW per pixel at light intensity of 60 klx. The suggested pixel has been provides the conversion gain of 1.69 μV⁄e^- . Achieving to the desired dynamic range an​d conversion gain at the same time is the result of using main idea of four-transistor structures. Also achieving high dynamic range with relatively low power consumption, is caused by the use of some low power methods such as p-type reset transistor an​d dual exposure time, an​d also some low power considerations which used in the design of them to reduce power consumption. Keywords: CMOS image sensor, energy harvesting, low power sensors, high dynamic range.