[PDF] RÉALISATION D?UN CAPTEUR D?IMAGE POUR UNE

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ifi

UNIVERSITÉifiDEifiMONTRÉALifi

ifi ifi ifiifiifiifiifiifi

APPLICATIONifiENifi

SPECTROSCOPIEifiDEifiRÉFLEXIONifi

ifi ifi

SEDDIKifiBENHAMMADIifi

ifi ifi ifi

MÉMOIREifiPRÉSENTÉifi

(GÉNIEifiÉLECTRIQUE)ifi

DÉCEMBREifi2011ifi

ifi ifi ifi ifi ifi ifi

UNIVERSITÉifiDEifiMONTRÉALifi

ifi ifi ifi ifi ifi

Ceifimémoireifiintitulé:ifi

ifi

SPECTROSCOPIE DE RÉFLEXIONifi

ifi enifivueifideifi :ifiMaîtriseifièsifisciencesifiappliquéesifi aifiétéifidûmentifiacceptéifiparifileifijuryifi :ifi ifi iiiifi ifi

REMERCIEMENTSifi

professeur Yves Audet pour avoir accepté de diriger mes and et Robert Chebli pour avoir membre.ifi mon travail plaisant et efficace.ifi apporté.ifi ivifi ifi

RÉSUMÉifi

biomédical et plus particulièrement la mesure du

dans le cerveau, puisque le cerveau et les yeux partagent la même artère et donc la même source

spectroscopie de réflexion utile pour cette application.ifi

Dansificeifiprojet,ifinousifiproposonsifiuneifiaméliorationifidansificetteifitechnique.ifiU estifi

rajoutéifiauifi systèmeifi deifi sorteifi àifi pouvoirifi imagerifi laifi régionifi àifi évaluerifi avecifi laifi spectroscopieifi deifi

micro-fabrication,ifi laifi techniqueifi classiqueifi deifi photolithographieifi neifi correspondifi pasifi dansifi cesifi

ce projet divisée en quatre sous matrices indépendantes et le mode de lecture est modifié et la lecture de chaque pixel.ifi pour les projets futurs seront proposés.ifi vifi ifi

ABSTRACTifi

Reflectance spectroscopyifihasifibroughtifimanyifisolutionsifiinifitheififieldifiofifibiomedicalifiengineering,ifi

Inifi thisifi project,ifi weifi suggestifi anifi improvementifi inifi theifi reflectanceifi spectroscopyifi measurementifi

sideifi ofifi theifi imageifisensorifi addsifi someifi designifi constraints.ifi Theifi pixelifi arrayifi isifi dividedifi intoifi fourifi

Andififinallyifiweifipresentifi someifiexperimentalifiresultsifiincludingifiimagesifiacquiredifiwithifi theifiimageifi

ifi viifi ifi

TABLE DES MATIÈRESifi

TABLE DES MATIÈRESifi............................................................................................................ifiVI

LISTE DES FIGURESifi...................................................................................................................ifiX

LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONSifi.............................................................................ifiXIII

CHAPITRE 1 OPHTALMOSCOPES ET CA ........................................ifi4

1.1 Introductionifi......................................................................................................................ifi4

1.2 Spectroscopie de réflexionifi...............................................................................................ifi4

1.2.1 Historique des techniques de détection du niveau de saturat

1.2.2 Les instruments modernesifi............................................................................................ifi6

1.2.3 La technique à améliorerifi..............................................................................................ifi8

1.3 ..........................................................................................................ifi11

1.3.1 Photodiode à jonctionifi.................................................................................................ifi12

1.3.2 Capacité MOSifi............................................................................................................ifi14

1.3.3 La photodiode PINifi.....................................................................................................ifi15

1.3.4 ..............................................................................ifi16

1.4 Techniques de gravure dans le siliciumifi.........................................................................ifi19

1.4.1 Les techniques de gravureifi..........................................................................................ifi20

1.4.2 La technique du Lift-offifi.............................................................................................ifi24

1.4.3 La technique de gravure du trou effectuée sur la face arr ..........ifi24

viiifi ifi

1.5 Conclusionifi......................................................................................................................ifi28

CHAPITRE 2 CONCEPTION DU ........................................................ifiI

2.1 Architecture du capteurifi..................................................................................................ifi29

2.2 Les architecturesifienvisagéesifi..........................................................................................ifi30

2.3 La topologie choisieifi.......................................................................................................ifi34

2.3.1 Résolution spatialeifi .....................................................................ifi35

2.3.2 ...............................................................................ifi35

2.3.3 Interface avec les circuits externesifi.............................................................................ifi36

2.4 Architecture du pixelifi......................................................................................................ifi37

2.4.1 Taille du Pixelifi............................................................................................................ifi38

2.4.2 Simulation du pixelifi....................................................................................................ifi39

2.5 ............................................................ifi42

2.6 ......................................ifi43

2.6.1 Architecture du premier amplificateur suiveurifi..........................................................ifi44

2.6.2 La porte de transmission 1ifi.........................................................................................ifi47

2.6.3 Capacité de mémoireifi..................................................................................................ifi48

2.6.4 Amplificateur suiveur 2ifi..............................................................................................ifi49

2.6.5 ...............................................................................ifi53

2.7 Discussion et conclusionifi................................................................................................ifi57

CHAPITRE 3 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUXifi.................................................................ifi59

3.1 Introductionifi....................................................................................................................ifi59

3.2 Génération de signauxifi....................................................................................................ifi59

3.2.1 ..................................................................ifi61

3.2.2 Signaux nécessaires pour le multiplexeur analogiqueifi................................................ifi62

viiiifi ifi

3.2.3 Signaux nécessaires pourifilaificarteifideificaptureifiMatroxifi................................................ifi62

3.3 ....................................................................ifi63

3.4 ...........................................................................................ifi64

3.5 Combinaison des deux signaux haut et basifi....................................................................ifi66

3.6 Circuit de reconstitutionifi.................................................................................................ifi67

3.7 .......................................................................................ifi71

3.8 .......................................................................................................ifi72

3.9 Mesures de bruitsifiavecifilaificarteifideificaptureifiMatroxifi........................................................ifi74

3.9.2 Mesure de bruit sous illuminationifi..............................................................................ifi76

3.9.3 ..........................................................ifi78

3.9.4 Discussionifi..................................................................................................................ifi81

3.9.5 .........................................................ifi83

3.10 Conclusionifi......................................................................................................................ifi84

ixifi ifi

LISTEifiDESifiTABLEAUXifi

ifi

Tableauifi1.1:ifiifi ...........................................................................ifi19ifi

Tableau 2.2: Paramètres de fonctionnalité de suiveurifi2......................................ifi47ifi

Tableau 3.3:ifiifiOffsetifi.......................................................................................................................ifi81

Tableau 3.4:ifiifiLaifiphotoifiréponseifinonifiuniformeifi..............................................................................ifi81

Tableau 3.5:ifiifiSensibilitéifi................................................................................................................ifi82

Tableau 3.6:ifiifiGammeifidynamiqueifi.................................................................................................ifi83

xifi ifi

LISTE DES FIGURESifi

Figure 1.1 Système de base à améliorerifi...........................................................................................ifi9

Figure 1.2 L'amélioration proposéeifi................................................................................................ifi10

Figure 1.3 Efficacités quantiques dans les quatre éléments fondamentaux de capture d'image [16]

:ifidansifileifi....ifi12

Figure 1.5 Structure physique d'une photo diode N+ sur substrat Pifi..............................................ifi12

Figure 1.6 Structure physique et de bande d'une capacité MOSifi....................................................ifi14

Figure 1.7 Structure physique de bande de la photodiode PINifi......................................................ifi16

Figure 1.8 Principe de Lift-offifi.....................................................................................................ifi24

Figure 1.9 Vue en coupe des différentes couches du procédé CMOS AMS 0.35µm.ifi.................ifi25

Figure 1.10 Diagramme montrant un des objectif duifiifiprojetifi-ifiEffectuerifiuneifiouvertureifiàifitraversifileifi

Figure 2.1 Schéma bloc d'un capteur d'image classiqueifi................................................................ifi30

Figure 2.3 Signaux dans la zone libre de pixels pour la première topologieifi...............................ifi31

Figure 2.5 Signauxifidansifilaifizoneifilibreifideifipixelsifipourifilaifideuxièmeifitopologieifi................................ifi33

Figure 2.6 Structure du capteur d'imagesifi.....................................................................................ifi34

Figure 2.7 Topologie choisieifi..........................................................................................................ifi36

Figure 2.8 Schéma d'un pixelifi........................................................................................................ifi37

Figure 2.9 Dessin de masque d'un pixelifi.........................................................................................ifi39

Figure 2.10 Circuit de simulation du pixelifi....................................................................................ifi40

Figure 2.12 Tension de sortie du pixelifi........................................................................................ifi41

xiifi ifi

Figure 2.14 Schéma du circuit d'adressage des lignesifi...................................................................ifi43

Figure 2.15 Schéma bloc du circuit de sortieifi.................................................................................ifi44

Figure 2.16 Amplificateur suiveur 1ifi............................................................................................ifi45

Figure 2.17 La tension de sortie en fonction de l'entrée du suiveur 1ifi............................................ifi46

Figure 2.18 Porte de transmissionifi...............................................................................................ifi48

Figure 2.19 Circuit de l'amplificateur suiveur 2ifi...........................................................................ifi50

Figure 2.20 Gain et phase de l'amplificateur suiveur en boucle ouverte......................................ifi51

Figure 2.21 Balayage de tension d'entrée,ifietifivisualisationifideifilaifitensionifideifisortieifi......................ifi52

Figure 2.22 Amplificateur de sortie Folded Cascode monté en suiveurifi........................................ifi53

Figure 2.23 Le circuit de polarisation de l'amplificateur Folded Cascode monté en suiveurifi.....ifi54

Figure 2.24 Simulation du gain et phase de l'amplificateur Folded Cascode en boucle ouverteifi56

Figure 2.25 Balayage de tension d'entrée, et visualisation de la tension de sortie du Folded

Figure 3.1 La carte FPGA utiliséifi...................................................................................................ifi60

Figure 3.3 signaux de synchronisation et d'adaptation de la sortieifi................................................ifi63

Figure 3.4 Dessin des masques du capteur d'imageifi.......................................................................ifi64

......................ifi65

Figure 3.6 Combinaison des deux signaux provenant des demi-matricesifihauteifietifibasses.............ifi67

Figure 3.7 signaux et mode de fonctionnement de la carte de capture Matroxifi.............................ifi68

Figure 3.8 Amplificateur inverseur à gain variableifi.......................................................................ifi69

Figure 3.9 Amplificateur inverseur à gain variable quand H_synch est à l'étatifibasifi....................ifi69

Figure 3.10 Signal adapté pour la carte de captureifi.......................................................................ifi70

xiiifi ifi

Figure 3.12 image prise a, image prise bifi.....................................................................................ifi73

Figure 3.13 Bruit temporel dans un pixelifi......................................................................................ifi79

Figure 3.14 Mesure de FPN sur une ligneifi......................................................................................ifi81

xiiiifi ifi

LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONSifi

AMSifiifiAustriaifiMicroifiSystemifi

C4F8ifiifiOctafluorocyclobutane

CCDifiifiChargeifiCoupledifiDeviceifi

EOXifiifiEyeifiOxyifiMeterifi

eVifiifiElectronifiVoltifi fFifiifiFemtoififaradeifi

FIBifiifiFocusedifiIonifiBeamifi

FPNifiifiFixedifiPatternifiNoiseifi

GNDifiifiGroundifi

H3PO4ifiifiAcideifiPhosphoriqueifiifi

HFifiifiHydroifiFluorifiacidifi

kȍ ifiKiloifiohmifi

KOHifiifiPotassiumifiHydroxideifi

NH4Fifiifi

msifiifiMilliifisecondeifiifi xivifi ifi mVifiifiMilliifivoltsifi mWifiifiMilliifiWattifi

NMifiifiNanoifiMetreifi

pAifiifiifiPicoifiAmpereifi

RIEifiifiReactiveifiIonifiEtchingifi

SF6ifiifiHexafluorure de Sulfureifi

SiifiifiifiSiliciumifi

SiO2 ifiifiDioxyde de siliciumifi

TSVifiifiThroughifiSiliconifiViaifi

VDDifiifiVoltageifiDrainifiDrainifi

ȝm ifiifiMicromètreifi

ȝsifiifiMicrosecondeifi

ȝ ifiMicroifiWatt

1ifi

INTRODUCTIONifi

biomédicaleifi

leifi suiviifi d'altérationsifi pathologiques.ifi Auifiniveauifi duifi cortexifi cérébralifi notamment,ifi cesifi altérationsifi

contrôlerifileifitauxifiet y ajusterifimédicalementifiestifiuneifiquestionifi vitaleifi

Enifi :ifiuneifipersonneifirespirantifidansifiuneifisalleifisousifidesificonditionsifirégulièresifi

xifipeutifibaisserifiàifi re crânien, desifi ifi dividu survient.ifi tauxifi deifi

détection nonifi invasiveifiauifi niveauifi deifi laifi rétineifi etifi auifi niveauifi deifi laifi peau.ifiCesifi techniquesifi nonifi

invasivesifi procèdentifi enifi comparantifi laifi différenceifi desifi signaturesifi spectralesifiquiifi existeifi entreifi

Cela

estifi dûifi auifi faitifi queifi leifi sangifi contenuifi dansifi lesifi yeuxifi estifiplusifireprésentatififi duifi sangifi duifi cerveau,ifi

artagent la même artère de sang [3].ifiDeifiplus,ifilesifialtérationsifidansifileififluxifiduifisangifidansifi

2ifi ifi

laifirétineifireprésententifiaussiifiuneifisourceifi trèsifiimportanteifipourifileifidiagnostiqueifidesifi

xifig, ou du

poulsifiouifi autresifisignauxifivitauxifiaccessibles.ifiIlifi existeifi desifiprocéduresifi commeifi es

.ifiCesifitechniquesifipeuventifi médicationifiambulatoire.ifi idéalifipourifileificontrôleifinon-invasififiduifiniveauifideifitauxifi ilifi

utilisent la spectroscopie de réflexion [4].ifi Cetteifi techniqueifi quantifieifi laifi lumièreifi réfléchieifi desifi

annéesifienificeifiquiifi concerneifilesifiprocédésifideififabricationifiCMOSifi(Complementary Metal Oxyde

Semiconductor).

faits avec les CCD (Charge Coupled Device) au profit de capteurs CMOS. Ces derniers sont

devenusifi capablesifi deifi fournirifi desifi résultatsifi comparablesifi àifi ceuxifi desifi CCDifi enifi termesifi deifi

être utilisé dans le domain

deifilaifi application. Le tout en maintenant le fonctionnement du spectrographe inchangé.ifi 3ifi ifi face arrière. Cette fibre

est récoltée par la fibre optiqueifiaprèsifiqueificelleificiifitraverseifiuneifizoneifitransparenteifidansifileificapteurifi

Pourifi arriverifi àifi cela,ifi nousifi allonsifi proposerifi uneifi nouvelleifi architectureifi quiifi prendifi enifi compteifi laifi

eronsifiaussiifi uneifirecetteifipourifilaifi travaux de micro fabrication en salle blanche. Cette recette sera mise en application sur des

de la littérature sur les instruments de mesure de spectroscopie de réflexion. Ilifiintègreifi lesifi

présente la conception du circuit intégré et toutesifilesifiétapesifisuivies.ifiEnfin,ifinousifiprésenteronsifi

ifi ifi 4ifi

CHAPITRE 1 OPHTALMOSCOPE ET CAP

1.1 Introductionifi

détection des niveauxifi

récentes orientations de ces techniques et expliquer les raisons qui soutiennent le développement

profonde sur un circuit intégré en post-fabrication.ifi

1.2 Spectroscopie de réflexionifi

1.2.1 Historique des techniques de détection du niveau de saturation

ans la rétineifi

En 1851, un scientifique physiologiste du nom de HelmholtzifiHifiaifirévolutionnéifileifidomaineifideifi

Handbuch der Physiologischen Optik (manuelifideifilaifiphysiologieifioptique)ifiaififournisifilesifithéoriesifi

empiriquesifisurifideifilaifiperceptionifideifilaifiprofondeur,ifilaifivisionifidesificouleursifietifi laifiperceptionifiduifi

deuxièmeifimoitiéifiduifi19eme siècleifi[5].ifi S

externe versifipatient.ifiLaifilumièreifiifiréfléchieifitraversaitifiunifitrouifideifi3ifimm,ifiuneifilentilleifideifi

rétine.ifiSonifiinventionifiaifimisifisurifirailifilesifirecherchesifisurifi [5].ifi 5ifi ifi ophtalmoscopesifi [5].ifi

techniquesifipourifiaméliorerifi laifi quantitéifi deifi lumièreifi réfléchieifi deifi laifi rétine.ifiAuifi départ,ifijusteifi lesifi

e laifi

de la réflexionifideifilaifilumièreifiestifidevenueififaisable.ifiCeifiquiifiaificonduitifiplusifitardifiauifidéveloppementifideifi

réfléchie.ifi

Ainsi,ifi enifi 1952,ifi Brindleyifi etifi Willmerifi ontificonduitifi desifi traveauxifi pourifimesurerifilaifi distributionifi

patient avec une lumière de référence de la même source mais réfléchie par un prisme.ifiEnififaisantifi

la lumière réfléchie par la rétine.ifiCelaifileurifiaifipermisifideifimesurerifilaifiréflexionifispectraleifideifi460ifinmifiàifi

Deifi mêmeifienifi1953,ifiWealeifiaifi mesuréifi lesifi pigmentsifi visuelsifienifiseifi basantifi surifi laifi techniqueifi

Leifigrandifiinconvénientifideificetteifitechniqueifiétaitifi, rendantifiainsiifiifiimpossibleifi

sonifiutilisationifi

A Desifi

6ifi ifi

deifi lumièreifi adaptéeifi avecifi laifi lumièreifi projetée.ifi Cetteifi techniqueifi deifi spectro-photographieifi aifi étéifi

enifi1966.ifiCeifimonta ordinateur [7].ifi

1.2.2 Les instruments modernes ifi

Avec lesifiancien , on faisait la

une gamme spectrale plusifiétendue.ifiAinsi,ifidurantifilesifi40ifidernièresifiannées,ifiplusieursifigroupesifideifi

rechercheifi ontifi travailléifipourifi améliorerifi etifi développerifi desifi instrumentsifi etifi desifi algorithmesifideifiifi

dispersion de la lumière.ifiPlusieursifitechniquesifiontififinalementifidémontréifileursifiefficacitésifipourifilaifi

U restreindreifilaifilumièreifiàificertainesifilongu [8].ifiCetteifitechniqueifi [9]ifiquiifiaifi place,ificetteifitechniqueifi 7ifi ifi propriétésifi[10].ifiifi

Ainsi,ifienifi1975,ifide la rétineifi

les effets de dispersion de la lumière

Cela aifiétéifiréaliséifienifi

comptageifideifiphotonsifiréfléchis.ifiCelaifiaifiétéifiobtenuifipourifi entreifi460ifietifi690ifinmifi

[11].ifi que le coefficientifi

déterminée après compensation des effets de dispersion de la lumière dans les cellules de sang.ifiIlifi

auifiniveauifideifilaifi ,ifiunifimonochromateur.ifiLcomprises entreifi

400ifi etifi 900ifi nmifi [9].ifi Plusifi tard,ifiDeloriifi aifi conçuifiunifi nouveauifi spectrophotomètreifi (1994)ifiquiifi

comprenaitifiunifianalyseurifioptiqueifimulticanauxifiavecifiuneifiplageifideifispectreifi 360ifiàifi900ifi

nmifi[12].ifi

pouvoir quantifier les mesures de toute la distribution de la lumière sur le plan de la pupille [7].ifi

8ifi ifi

spectroscopiqueifi enifi sélectionnantifi laifi sourceifi deifi lumièreifi entreifi 400ifinmifi etifi 700ifi nmifi avecifi desifi

7].ifiÀifip

testéifisurifiunifiporcifietifiaifi volume totale du sang [13].ifi

pour obtenir un spectre spatial complet de la rétine entreifi450ifietifi700ifinmifiavecifi50ifiimagesifi[14].ifi

1.2.3 La technique à améliorer ifi

Laifitechniqueifiqueifinousifivoulonsifi

de Montréal.ifiC , et par conséquent visualiserifilaifirétineifirale obtenue à travers un trou

analyser.ifi Etifi enifi utilisantifi unifi modelifi mathématiqueifi décrivantifi laifi réflexionifi spectraleifi deifi

rboxyle-hémoglobine,ifi laifi mélanineifi etifi leifi facteurifi deifi ifi 9ifi ifiquotesdbs_dbs26.pdfusesText_32

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