P.A.Jerram, M.Fryer, J.Pratlong, A.Pike, A.Walker, B.Dierickx ,B.Dupont, A. Defernez
e2v technologies . Caeleste CVBA
התקנים צמודי מטענים (CCD) משמשים כבר שנים רבות לדימות היפר-ספקטרלי ובהצלחה רבה. ביניהם MERIS (ספקטרומטר דימות ברזולוציה בינונית)בלוויין Envisat, CHRIS (ספקטרומטר דימות קומפקטי ברזולוציה גבוהה) ב-Proba והמכשיר לניטור האוזון הפועל באזור הספקטרלי האולטרא סגול. סוכנות החלל האירופית מתכננת גם כמה משימות נוספות שסביר שישתמשו בהן בטכנולוגיית CCD (Sentinel 3, 4 ו-5). אולם, לחיישני CMOS יש כמה יתרונות שמשמעותם היא שהם ישמשו כנראה ליישומים היפר-ספקטרליים בטווח הארוך.
לחיישני CMOS יש שני יתרונות עיקריים: ראשית, תמונה היפר-ספקטרלית מורכבת מפסים ספקטרליים עם שוני גדול בעוצמה. ב-CCD עם העברת מסגרות צריך להעביר את הפסים הספקטרליים החלשים דרך החלק של הסורק המואר על ידי פסים חזקים. זה עלול לגרום להצטלבות אותות, ולמרות שאפשר להפחית את הבעיה הזאת על ידי שימוש העברת מסגרות מפוצלת וקצב פסים מהיר יותר, חיישני CMOS לא דורשים העברת מסגרות ולכן מטבעם הבעיה הזאת לא תפגע בהם. שנית, עם חיישן CMOS אפשר לקרוא פסים ספקטרליים חזקים פעמים רבות בתוך מסגרת כדי להגדיל משמעותית את הטווח הדינמי.
נתאר את התכנון, הבדיקה והאפיון של חיישן CMOS לשימוש ביישומים היפר-ספקטרליים. ההתקן הזה תוכנן כדי לתת טווח דינמי גדול ככל האפשר עם הצטלבות אותות מינימלית. החיישן יוצר על פרוסות סיליקון אפיטקסיות עם מקדם התנגדות גבוה ועבר דילול (back-thinning) ונשאר עבה יחסית כדי להשיג את היעילות הקוונטית המירבית על פני כל הטווח הספקטרלי.
דרישות התכנון
חיישן היפר-ספקטרלי הוא בעצם מערך של הרבה התקני דימות ליניאריים שכל אחד מהם מכוון לפס ספקטרלי שונה, כפי שמראה איור 1. הלוויין סורק את הקרקע כשהספקטרום מרצועה צרה מפוצל על פני התקן הדימות. נתוני השורות מההתקן מספקים מידע מרחבי ונתוני העמודות מספקים מידע ספקטרלי. התחום של אורכי הגל שיש בהם עניין הוא בדרך כלל מהאולטרא סגול עד לקרוב לאינפרא אדום. דימות היפר-ספקטרלי שונה מדימות מולטי-ספקטרלי בכך שכל הספקטרום מפוזר על פני ההתקן וניתן לחלק אותו לפסים לפי הצורך, בעוד שבדימות מולטי-ספקטרלי פסים ספקטרליים בדידים נצפים באמצעות מערכים ליניאריים נפרדים.
האתגר בדימות היפר-ספקטרלי הוא שיש שוני גדול מאוד בעוצמה בין הפסים הספקטרליים השונים שאפשר להגדיר על פני הטווח הספקטרלי, כפי שמראה איור 2. זה גורם לשתי בעיות משמעותיות: ראשית, הגלאי חייב להיות מסוגל לפעול עם טווח רחב של עוצמות אות, ושנית, דרושה זהירות כדי למנוע הצטלבות אותות בין הפסים הספקטרליים בעלי העוצמה הגבוהה ובין אלה הפחות בהירים.
בנוסף, התגובה הספקטרלית של הגלאי נוטה גם להיות נמוכה יותר בקצוות של הפס הספקטרלי, וזה מגדיל עוד את היחס של רמת האות המתקבלת בפסים ספקטרליים שונים. גרף טיפוסי של יעילות קוונטית (QE) של חיישני סיליקון מוצג באיור 3.
המשמעות של ההבדל הגדול הזה באותות היא שההתקן חייב להתמודד עם טווח אותות דינמי גדול והוא לכן רגיש מאוד להצטלבות אותות. להצטלבות האותות יכולים להיות גם רכיב אופטי וגם רכיב חשמלי. הצטלבות האותות החשמלית היא בעיה הרבה פחות משמעותית בהתקני דימות CMOS שבהם לא דרושה העברת מסגרות כחלק מתהליך הקריאה.
התכנון
התכלית של הפיתוח הזה הייתה ליצור התקן דימות היפר-ספקטרלי CMOS גנרי שאפשר יהיה להתאים אותו בקלות ליישומים שונים. יעדי המפרט העיקריים מוצגים להלן. התכנון נידון בפירוט בעבר ולכן כללנו כאן רק תיאור קצר.
א. תכנון הפיקסל
יש ויכוח האם צמצם גלובלי נחוץ להתקן דימות CMOS היפר-ספקטרלי. היות שיש אי בהירות מסוימת לגבי המסקנה, הפיקסל של ההתקן הזה תוכנן כדי לפעול כרמת בסיס במצב צמצם גלובלי אבל עם אפשרות לפעול עם CDS עם צמצם מתגלגל.
היות שנבחר להתקן הדימות הזה תהליך CMOS זול של 0.35 μm, חייבים לממש את צמצם תצלום הבזק על ידי שימוש במתגים וקבלים ולא בדיודת אור PIN ושער העברה. זה מוביל לשימוש בשני עוקבי מקור בכל פיקסל, וזה מחייב מחלף רמות כדי לתת טווח מתח יציאה המתאים לקריאה. המעגל של כל פיקסל הוא: (איור 4)
n-well בדיודה p-epi משמש לדיודת האור PD וכדי לאפשר בחירה של שני שבחי המרה, אפשר להוסיף עוד קיבוליות על ידי הגדרת GAIN לגבוה כדי לחבר את CEXTRA במקביל ל-PD. זה נותן פקטור של 3 × במקסימום מטען ופקטור ⅓ × בשבח ההמרה. לכל שורה של פיקסלים יש אות GAIN פרטני כדי לאפשר כל תבנית של שורות שבח נמוך וגבוה. כל הפעולות, מהאיפוס דרך האינטגרציה ועד ההפעלה של Vsample, ניתנות לביצוע בו-זמנית על כל הפיקסלים, וזה נותן צמצם צילום בזק. הרמות יישארו בצמתי Vsample כדי לאפשר קריאה מתגלגלת של התמונה המאוחסנת בזמן שמתבצעת אינטגרציה של התמונה הבאה.
אם מעדיפים אפשר לקרוא את הפיקסלים במצב צמצם מתגלגל על ידי הגדרת בקרת הפיקסלים לפעולה שורה- שורה במקום פעולה גלובלית. המצב הזה יכול לכלול CDS כדי להפחית רעש.
בנוסף יש אפשרות לגישה ישירה לשורות, ולכן שורות שבהן רמת האות גבוהה אפשר לקרוא בתדירות גבוהה יותר. לדוגמה, אפשר להפעיל את החיישן בתדירות כוללת של 100 הרץ לפסים ספקטרליים חלשים, אבל ב-500 הרץ לפסים הספקטרליים הכי חזקים, וזה נותן פקטור נוסף של x5 ביחס של אות השיא בשורות שונות. ביחד עם מתג הקיבוליות זה ייתן יחס אות שיא של x15.
הייצור
א. ייצור הפרוסות
היות שגודל הפיקסל גדול יחסית ואין בהתקן דיגיטליות מהירה, החיישן הזה יוצר באמצעות טכנולוגיית 0.35μm. כדי להצליח להשיג יעילות קוונטית טובה בקצה הכמעט אינפרא אדום של הספקטרום, בייצור ההתקן נעשה שימוש בסיליקון אפיטקסי עבה עם מקדם התנגדות של בערך 1000ohm.cm. זה מאפשר לדלל את הסיליקון לעובי של בערך 8μm, שמשמעו שאפשר להשתמש בעובי כולל של 12μm כדי לתת יעילות קוונטית קרובה למה שאפשר לקבל באמצעות CCD (המיוצר מחומר סטנדרטי).
ב. דילול
ההתקנים האלה תוכננו לדילול והתהליך כבר התחיל למרות שהתוצאות לא זמינות עדיין. נעשה שימוש ב-epi בעובי של 12μm עם מקדם התנגדות של 1000ohm.cm שמדולל לבערך 9μm. התוצאות של הגרסאות המדוללות של ההתקנים האלה יהיו זמינות עד סוף 2010.
ג. הרכבה
ההתקנים הורכבו במארזי PCB פשוטים משום שהיעד העיקרי של התוכנית הזאת הוא לקבוע את הביצועים החשמליים והאלקטרו- אופטיים. תמונה של התקן מורכב מוצגת באיור 5.
הבדיקה
יוצר מערך בדיקה בהתאמה ספציפית שבו אותות הבקרה מסופקים על ידי FPGA Altera באמצעות ממשק Visual Basic. איסוף הנתונים מתבצע באמצעות תוכנת Labview דרך ממשק Cameralink. מערך הבדיקה מפעיל את כל שמנות הערוצים האנלוגיים במקביל בתדירות של 11MHz כל אחד ובסך הכל קצב נתונים של 88MHz כדי לאפשר קצב מסגרות מכסימלי של 250Hz.
*הכתבה נמסרה באדיבות אלקטרונדארט, נציגתה של חברת E2V בישראל.
