微型F-P腔阵列光谱探测器的集成化技术研究

论文摘要

光谱分析仪器是对物质的化学组成及含量进行分析的重要仪器。随着微型光谱仪的研究成功和应用,芯片式集成光谱分析系统又成为人们探索的重点。本论文在国家自然科学基金的资助下,提出采用MEMS和微电子等技术进行微型F-P腔式阵列光谱探测器集成化关键技术的研究,以期构成一种小体积、高光通量、高灵敏、高可靠性的集成F-P腔阵列光谱探测器。论文的主要研究工作如下:①通过查阅国内外文献资料,在本中心前期研究微型光谱分析仪器成果的基础上,提出了基于微型F-P腔阵列的光谱探测器集成化技术研究的思想;②研究了微型F-P腔阵列光谱探测器的结构和工作原理,进行了相关理论和结构的分析,确定了系统方案;③提出采用N阱P衬底结构光电二极管为探测器,获得了光电二极管的SPICE模型和参数;④根据系统工作原理,设计了该光谱探测器的读出电路,该电路采用一种包含动态源随器和采样保持电容的采样电路,同时使用移位寄存器来实现信号逐位扫描输出,该电路具有结构简单、功耗低、去噪效果好等特点;完成了系统级模拟;⑤在对整体工艺进行研究的基础上,从集成化角度出发,给出该微型F-P腔阵列光谱探测器的加工工艺流程和要求,基于MOSIS/ORBIT 2.0U SCNA工艺,采用tanner软件完成了8个单元探测器和读出电路的版图设计,进行了DRC、版图提取以及版图后仿真,验证了所设计的版图的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于F-P 腔结构的芯片式光谱仪的研究现状
• 1.2.2 光电探测器读出电路的研究现状
• 1.3 本文研究的意义和研究内容
• 2 微型F-P 腔阵列光谱探测器的结构和设计
• 2.1 引言
• 2.2 微型F-P 腔阵列光谱探测器的结构和工作原理
• 2.2.1 微型F-P 腔阵列光谱探测器的结构
• 2.2.2 微型F-P 腔工作原理
• 2.3 光电探测器工作原理及等效电路
• 2.3.1 与CMOS 兼容的光电二极管
• 2.3.2 光电二极管工作方式
• 2.3.3 光电二极管等效电路
• 2.4 读出电路的设计思路及流程
• 2.5 读出电路的设计及仿真
• 2.5.1 采样电路
• 2.5.2 移位寄存器
• 2.6 探测器和读出电路系统级模拟仿真
• 2.7 本章小结
• 3 工艺流程、版图设计及验证
• 3.1 引言
• 3.2 工艺流程
• 3.3 电路版图研究
• 3.3.1 版图层次
• 3.3.2 版图设计规则
• 3.3.3 版图设计流程
• 3.4 读出电路的版图设计及验证
• 3.4.1 采样电路一个单元的版图设计及验证
• 3.4.2 移位寄存器版图设计和验证
• 3.4.3 读出电路一个单元版图和验证结果
• 3.4.4 整个读出电路版图和验证结果
• 3.5 微型F-P 腔阵列光谱探测器整体版图
• 3.6 本章小结
• 4 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录