Simulation of Temperature Distribution in IR Camera Chip

• Main Author: Salomonsson, Stefan
• Format: Others
• Language: English
• Published: Linköpings universitet, Informationskodning 2011
• Subjects: Thermal modeling; Thermal imaging; Bolometer detector; Finite Element Method; COMSOL Multiphysics; Electronics; Elektronik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-65830

The thesis investigates the temperature distribution in the chip of an infrared camera caused by its read out integrated circuit. The heat from the read out circuits can cause distortions to the thermal image. Knowing the temperature gradient caused by internal heating, it will later be possible to correct the image by implementing algorithms subtracting temperature contribution from the read out integrated circuit. The simulated temperature distribution shows a temperature gradient along the edges of the matrix of active bolometers. There are also three hot spots at both the left and right edge of the matrix, caused by heat from the chip temperaturesensors and I/O pads. Heat from the chip temperature sensors also causes an uneven temperature profile in the column of reference pixels, possibly causing imperfections in the image at the levels of the sensors. Simulations of bolometer row biasing are carried out to get information about how biasing affects temperatures in neighbouring rows. The simulations show some row-to-row interference, but the thermal model suffers from having biasing heat inserted directly onto the top surface of the chip, as opposed to having heat originate from the bolometers. To get better simulation results describing the row biasing, a thermal model of the bolometers needs to be included. The results indicate a very small temperature increase in the active pixel array, with temperatures not exceeding ten millikelvin. Through comparisons with another similar simulation of the chip, there is reason to believe the simulated temperature increase is a bit low. The other simulation cannot be used to draw any conclusions about the distribution of temperature. === Examensarbetet undersöker den temperaturdistribution som uppkommer i ett chip till en IR-kamera till följd av värmeutvecklingen i dess egna utläsningskretsar. Genom att ha information om temperaturdistributionen är det möjligt att längre fram i utvecklingsprocessen skapa algoritmer som subtraherar bort chippets interna värmetillskott från den termiska bilden. Den simulerade temperaturdistributionen visar att de största temperaturgradienterna uppkommer längs den aktiva pixelmatrisens sidor. Det är även möjligt att se tre varmare områden vid både den vänstra och högra sidan av matrisen skapade av värme från chippets temperatursensorer och I/O-kretsar. Värme från temperatursensorerna påverkar även temperaturen i kolumnen med referenspixlar, vilket kan ge upphov till avvikelser i den termiska bilden i höjd med dessa temperatursensorer. Simuleringar av radvis basering av bolometrar utförs för att få information om hur bolometerbiaseringen påverkar temperaturen i angränsade rader. Simuleringarna visar att det finns störningar mellan rader, men simuleringsmodellen lider av avsaknaden av en termisk bolometermodell och tvingas applicera värme direkt på chipytan istället för att låta värme utvecklas i bolometrarna. För bättre simuleringsresultat innefattande bolometerbiasering bör en termisk bolometermodell inkluderas i simuleringen. Resultaten visar på en mycket liten temperaturökning inom den värmekänsliga aktiva pixelmatrisen, med temperaturökningar inom detta område som inte överstiger tio millikelvin. Genom jämförelser med en liknande simulering av samma chip är det inte omöjligt att dra slutsatsen att temperaturökningen är något låg. Det går inte att dra några slutsatser om temperaturens distribution genom denna jämförelse av simuleringar.