【摘 要】
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图像传感阵列在各个领域中有着广泛应用。随着在医疗、安全、汽车和军事领域中新应用的出现,研究重点开始关注于降低传感器制备成本、让传感器变得更加智能和应对不同场景能实现柔性大面积图像传感等方面。本文采用金属氧化物薄膜晶体管(Metal Oxide Thin Film Transistor,MO TFT)作为图像传感阵列的控制管,采用有机光电探测器(Organic Photodiode,OPD)作为光电
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图像传感阵列在各个领域中有着广泛应用。随着在医疗、安全、汽车和军事领域中新应用的出现,研究重点开始关注于降低传感器制备成本、让传感器变得更加智能和应对不同场景能实现柔性大面积图像传感等方面。本文采用金属氧化物薄膜晶体管(Metal Oxide Thin Film Transistor,MO TFT)作为图像传感阵列的控制管,采用有机光电探测器(Organic Photodiode,OPD)作为光电转换器件制备图像传感阵列,因为MO TFT具有泄漏电流低、迁移率高和能柔性大面积制备等优点,而OPD具有制备工艺简单、成本低、能大面积制备和对不同波长光具有选择吸收等优点。OPD采用聚(3-己基噻吩)(P3HT)和[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)作为活性层,以实现对可见光的探测,从而使得制备的图像传感阵列能应用于手势识别、指纹或掌纹探测和x射线探测等方面。本文采用背沟道刻蚀(BCE)工艺在玻璃上制备氧化铟锌(IZO)TFT阵列,并在阵列上使用溶液法制备OPD器件。IZO TFT的关态泄漏电流大概为5×10-14A,在线性区提取的IZO TFT的迁移率为11.63 cm~2/Vs。OPD器件的最低暗电流密度为1.9×10-10A/cm~2,在0偏压下测试的外量子效率(External quantum efficiency,EQE)在500 nm附近最大为33.5%。根据TFT与OPD器件特性以及工艺特点,利用版图工具设计了像素尺寸为50μm,分辨率为256×256的图像传感器并流片制备。根据图像传感阵列的成像原理,搭建了读出系统平台,读出系统最大支持的传感阵列分辨率为512×768。使用搭建的读出系统平台对阵列进行测试,探测的图片细节清晰,总体质量令人满意。通过对阵列系统的电子噪声进行分析,计算得到总的电子噪声小于683 e-。为了降低传感阵列制备复杂度和成本,本文采用IZO TFT设计了三种面向OPD传感阵列的行驱动电路。(1)低噪声行驱动电路,该电路只采用2个时钟信号,能有效降低功耗。通过仿真分析和流片测试,结果表明该电路输出波形稳定,并能几乎实现电压全摆幅,在非工作期间表现出很好的噪声抑制特性,能应用于无源传感阵列上。(2)单负电源行驱动电路,该电路在输出级采用单一的负电源就能在工作期间很好的关闭下拉管。通过仿真和流片测试,结果表明该电路能在频率为66.7 k Hz时(高电平脉宽为3.2μs)稳定输出波形,能应用于高分辨率和高刷新率的的无源传感阵列。(3)集成复位控制的行驱动电路。该电路能同时输出复位信号和行驱动信号,而不用分别去设计复位控制电路以及行驱动信号电路,有效节省阵列面积以及外部驱动资源。30级电路仿真结果表明,复位信号与行驱动信号输出稳定,第1级与第30级的输出波形几乎没有损耗。该电路能应用于有源图像传感阵列上。
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