高精度角位移传感器ASIC光电芯片研究
发布时间：2021-03-21 20:53
角度位移传感器作为一种多学科交织的精密光学仪器在国家基础研究、经济发展和国防建设发展中的地位日益突显。但是,高端角度位移传感器产品需要的关键核心零部件几乎全部来自于国外进口,产业链短板长期存在且愈发严重。在此背景下,科技部、工信部、国家自然科学基金委等部门设置了一系列的“重大科学仪器设备开发”专项,本文的工作就是来源于科技部重大科学仪器设备开发专项“ASIC光电集成芯片设计”,研究的目的是开发一款专用于高精度角位移传感器的光电集成芯片,具体包括与传感器系统匹配的光电探测器阵列、高性能的光电集成电路和工业级的芯片制备方案。本论文的主要创新性贡献概括如下:1.提出了一种伪随机信号和增量信号的同步方法。采用一位伪随机码象元对应增量码的一个明暗条纹的机制,在码盘刻画误差不大于1/4个周期的范围内,不需要复杂的算法来寻找到伪随机码的首位,可以直接进行绝对位置信息的读取。并基于本方法设计了专用光电集成芯片。2.提出了一种专用于读取伪随机信息的线阵探测器方案。为了更好的实现高速弱光检测,探测器被设计成与码盘刻画完全重合的扇形,保证了每个探测器感光情况的一致性;同时,每个探测器采用独立的读取单元进行积...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于CMOS工艺单片集成光电探测器结构
光电集成的概念由美国加州理工学院的Yariv教授等人在1972年首先提出,并于1978年研制出了世界上第一个仅由一个Ga As激光二极管和一个GaAs耿氏二极管构成的光电集成单片[29]。在四十余年的发展过程中,科研者们发现了硅基光电子和CMOS工艺兼容的特点,实现了光电子和微电子的大规模集成。其中,Luxtera公司最早实现了硅基单片光电集成芯片,其与Freescale公司共同开发了光电子与微电子集成工艺库及器件模型,真正意义上光电集成技术的产业化。此后,伴随着半导体工艺技术的不断成熟,越来越多的电子器件被集成到探测器芯片中,光电集成芯片的功能不断丰富。与微电子遵从的摩尔定律相比,光电集成芯片发展中也发现了类似的规律,单个芯片上集成的元器件数量近似每2.5年翻一番[30],并且近些年还有加速的态势。目前,在微电子学领域基于硅材料的集成电路技术已经相当成熟,单个晶体管已达到纳米级。目前,光电集成技术及其相关产业的发展已成为后摩尔时代全球研究的聚焦点。一方面,如存储器、微处理器、FPGA等这些对工艺技术要求比较高的芯片已被寡头垄断,技术壁垒也使得这方面的发展很难有太大的突破;另一方面,模拟芯片的范围特别广,从应用的角度设计专门的模拟电路芯片,如各类传感芯片、集成芯片等都是对现有技术的提升,这也为模拟芯片提供了广阔的发展空间。其中光电集成方面,美国的研究机构和公司在技术水平和工业化上都处在领先地位,欧美和日本紧随其后。
欧洲的光电集成技术也处在全球比较领先的水平,其JEPPIX(Joint European Platform for InP-based Photonic Integrated Components and Circuits)光子集成芯片研究与成果转化平台,是全欧洲范围内的通用加工工艺平台。此外,日本在该领域的尖端研发能力也比较突出,相关研究机构(Photonics-Electronics Convergence System Technology,PECST)的Urino等人,采用倒装焊接的方式在同一颗芯片上集成了多种硅基光电器件,使得光电系统的性能实现了巨大的提升[34]。国内在光电集成技术领域起步较晚,由中国科学院半导体研究所、吉林大学与清华大学联合成立的集成光电子学国家重点实验室代表了国内相关领域的先进水平。随着近些年来国家对光电集成电路产业的促进,也涌现出了系列的创新成果和新兴企业。其中浙江大学的何赛灵团队采用辅助键合的方法,实现了5通道无源阵列波导与有源光电调制器的单片集成,相应系统性能得到显著提升[35];中国科学院半导体研究所的祝宁华等人基于三维封装技术,实现了10通道的大规模光电集成[36]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置[J]. 于海,万秋华,孙莹,卢新然,贾兴丹. 中国光学. 2020(03)
[2]基于空间位置的增量式光电编码器误差检测系统[J]. 卢新然,宋路,万秋华,于海,刘小树. 红外与激光工程. 2017(10)
[3]微波光链路和光电探测器残余相位噪声的测量[J]. 曹哲玮,杨春. 红外与激光工程. 2016(07)
[4]增量式编码器输出信号细分方法研究[J]. 韩念琛,薛应芳,秦将. 太原理工大学学报. 2011(01)
[5]光电轴角编码器的编码方式及其发展趋势[J]. 陈赟,张红胜. 中国光学与应用光学. 2009(02)
[6]高可靠性增量式光电编码器接口电路设计[J]. 蒋晶,蒋东方,高航. 测控技术. 2009(02)
[7]双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计[J]. 万秋华,孙莹,王树洁,佘容红,卢新然,梁立辉. 光学精密工程. 2009(01)
博士论文
[1]小型绝对式光电编码器动态误差检测系统及方法研究[D]. 于海.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
本文编号：3093526
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于CMOS工艺单片集成光电探测器结构
光电集成的概念由美国加州理工学院的Yariv教授等人在1972年首先提出,并于1978年研制出了世界上第一个仅由一个Ga As激光二极管和一个GaAs耿氏二极管构成的光电集成单片[29]。在四十余年的发展过程中,科研者们发现了硅基光电子和CMOS工艺兼容的特点,实现了光电子和微电子的大规模集成。其中,Luxtera公司最早实现了硅基单片光电集成芯片,其与Freescale公司共同开发了光电子与微电子集成工艺库及器件模型,真正意义上光电集成技术的产业化。此后,伴随着半导体工艺技术的不断成熟,越来越多的电子器件被集成到探测器芯片中,光电集成芯片的功能不断丰富。与微电子遵从的摩尔定律相比,光电集成芯片发展中也发现了类似的规律,单个芯片上集成的元器件数量近似每2.5年翻一番[30],并且近些年还有加速的态势。目前,在微电子学领域基于硅材料的集成电路技术已经相当成熟,单个晶体管已达到纳米级。目前,光电集成技术及其相关产业的发展已成为后摩尔时代全球研究的聚焦点。一方面,如存储器、微处理器、FPGA等这些对工艺技术要求比较高的芯片已被寡头垄断,技术壁垒也使得这方面的发展很难有太大的突破;另一方面,模拟芯片的范围特别广,从应用的角度设计专门的模拟电路芯片,如各类传感芯片、集成芯片等都是对现有技术的提升,这也为模拟芯片提供了广阔的发展空间。其中光电集成方面,美国的研究机构和公司在技术水平和工业化上都处在领先地位,欧美和日本紧随其后。
欧洲的光电集成技术也处在全球比较领先的水平,其JEPPIX(Joint European Platform for InP-based Photonic Integrated Components and Circuits)光子集成芯片研究与成果转化平台,是全欧洲范围内的通用加工工艺平台。此外,日本在该领域的尖端研发能力也比较突出,相关研究机构(Photonics-Electronics Convergence System Technology,PECST)的Urino等人,采用倒装焊接的方式在同一颗芯片上集成了多种硅基光电器件,使得光电系统的性能实现了巨大的提升[34]。国内在光电集成技术领域起步较晚,由中国科学院半导体研究所、吉林大学与清华大学联合成立的集成光电子学国家重点实验室代表了国内相关领域的先进水平。随着近些年来国家对光电集成电路产业的促进,也涌现出了系列的创新成果和新兴企业。其中浙江大学的何赛灵团队采用辅助键合的方法,实现了5通道无源阵列波导与有源光电调制器的单片集成,相应系统性能得到显著提升[35];中国科学院半导体研究所的祝宁华等人基于三维封装技术,实现了10通道的大规模光电集成[36]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置[J]. 于海,万秋华,孙莹,卢新然,贾兴丹. 中国光学. 2020(03)
[2]基于空间位置的增量式光电编码器误差检测系统[J]. 卢新然,宋路,万秋华,于海,刘小树. 红外与激光工程. 2017(10)
[3]微波光链路和光电探测器残余相位噪声的测量[J]. 曹哲玮,杨春. 红外与激光工程. 2016(07)
[4]增量式编码器输出信号细分方法研究[J]. 韩念琛,薛应芳,秦将. 太原理工大学学报. 2011(01)
[5]光电轴角编码器的编码方式及其发展趋势[J]. 陈赟,张红胜. 中国光学与应用光学. 2009(02)
[6]高可靠性增量式光电编码器接口电路设计[J]. 蒋晶,蒋东方,高航. 测控技术. 2009(02)
[7]双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计[J]. 万秋华,孙莹,王树洁,佘容红,卢新然,梁立辉. 光学精密工程. 2009(01)
博士论文
[1]小型绝对式光电编码器动态误差检测系统及方法研究[D]. 于海.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
本文编号：3093526
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