طراحي مدار خاموش‌كننده و شارژ مجدد ديودهاي بهمني تك فوتوني در حسگرهاي زمان پرواز

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

حسگرﻫﺎﯼ ﺯﻣﺎﻥ ﭘﺮﻭﺍﺯ ابزاري دقيق براي اندازه‌گيري فاصله و توليد تصاوير سه‌بعدي هستند. اين حسگرها در سامانه‌هاي مختلف از جمله سامانه‌هاي ليدار (LiDAR) براي اندازه‌گيري مسافت‌هاي طولاني در فضاي باز و سامانه‌هاي دقيق‌تر براي فاصله‌يابي در مسافت‌هاي كوتاه و محيط‌هاي حساس به كار مي‌روند. در ميان انواع مختلف اين حسگرها، حسگرهاي مبتني بر ديود بهمني تك فوتون (SPAD) به دليل حساسيت بسيار بالاي خود به نور، توانايي آشكارسازي تك فوتون و سرعت پاسخگويي بالا، گزينه‌اي ايده‌آل براي به كارگيري در كاربردهاي متنوع هستند. اين حسگرها مي‌توانند فوتون‌هاي منفرد را با دقت زياد ثبت كنند كه اين ويژگي در محيط‌هاي كم‌نور، در سنجش‌هاي فاصله‌يابي با دقت بالا و در تصويربرداري‌هاي پزشكي و زيست‌پزشكي از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. حسگرهاي زمان پرواز به طور گسترده‌ در صنايع مختلف كاربرد دارند، از جمله در جراحي‌هاي كم تهاجم، امنيت، سيستم كروز كنترل و ترمز اضطراري خودكار خودروها، بازي‌هاي كامپيوتري و در واقعيت مجازي براي رديابي حركت در برنامه‌هايAR/VR مورد توجه قرار گرفته‌اند. در اين ميان، ساختارهاي زمان پرواز مستقيم مبتني بر SPAD به همراه ايجاد امكان دستيابي به دقت زماني بالا، به دليل قابليت ادغام آسان با فناوري‌هاي مدرن نيمه‌هادي به خصوص فناوري CMOS، امكان توليد انبوه آن را به همراه كاهش هزينه فراهم كرده‌است. يكي از پيشرفت‌هاي مهم در اين زمينه، استفاده از فناوري پشته‌اي (Stacking) است، كه امكان تركيب لايه‌هاي آشكارساز نوري و مدارهاي پردازش سيگنال را در قالب يك تراشه سه‌بعدي فراهم مي‌آورد. اين فناوري منجر به كاهش تأخير در انتقال داده، افزايش دقت در ثبت اطلاعات و بهبود كارايي حسگر در تشخيص و پردازش فوتون‌ها مي‌شود. علاوه بر تصويربرداري سه بعدي، اندازه‌گيري زمان پرواز را مي‌توان براي توپوگرافي گسيل پوزيترون (PET) و ساير تكنيك‌هاي زيست پزشكي ﺑﺎ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺍﺯ ﻣﻨﺒﻊ ﻧﻮﺭ ﺿﻌﯿﻒ ﻣﺎﻧﻨﺪ ميكروسكوپ ﺗﺼﻮﯾﺮﺑﺮﺩﺍﺭﯼ ﻃﻮﻝ ﻋﻤﺮ ﻓﻠﻮﺭﺳﺎﻧﺲ FⅬIⅯ)) ﻭ ﺭﻭﺵﻫﺎﯼ ﻓﺎﺻﻠﻪ سنجي، ﺑﻪ ﻋﻨﻮﺍﻥ ﻣﺜﺎﻝ ﺍﺭﺗﻔﺎﻉ ﺳنج، ﺳﻨﺠﺶ ﻋﻤﻖ، پايش نرخ ﺗﻨﻔﺲ، ﺳﻨﺠﺶ ﺗﺼﻮﯾﺮ ﻭ ﻓﺎﺻﻠﻪ ﺑﺮﺍﯼ ﻧﺎﻭﺑﺮﯼ ﻣﻮﺭﺩﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﻗﺮﺍﺭ ﺩﺍﺩ. با اين حال، عملكرد صحيح و سريع حسگرهاي زمان پرواز مبتني ‌بر SPADها وابسته به عملكرد صحيح مدارهاي جنبي حسگر ازجمله مدارهاي خاموش‌كننده و شارژ مجدد است. اين مدارها پس از آشكارسازي هر فوتون، ديود را از حالت شكست خارج كرده و مجدداً براي آشكارسازي فوتون‌هاي بعدي آماده مي‌كنند. در نبود اين مدارها، سرعت پاسخ حسگر كاهش يافته و دقت اندازه‌گيري آن تحت تاثير قرار مي‌گيرد، بنابراين طراحي بهينه آن‌ها براي حفظ دقت، سرعت و كارايي كل سيستم ضروري است. در كار حاضر به طراحي يك مدار خاموش‌كننده و شارژ مجدد فعال پرداخته شده‌است. مدار پيشنهادي قادر به شمارش تا 435 مگاشمارش فوتون در ثانيه مي‌باشد. توان مصرفي مدار پيشنهادي به ازاي يك مگاشمارش فوتون در ثانيه كمتر از 5.1 ميكرووات بدست آمده‌است.

233433

الكترونيك - مدار مجتمع

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان