Photodetector Amplifier and Measurement Setup Design

Abstract

Insinöörityö tehtiin Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:lle. Työn tarkoituksena oli mittausalustan suunnittelu uudentyyppiselle nanoteknologiaan perustuvalle valoanturille. Valoantureita käytetään laajasti esimerkiksi kuvantamiseen, liiketunnistukseen ja lääketieteen sovelluksiin. Uusien komponenttien tutkimus ja tuotekehitys vaatii mittauksia, joiden avulla voidaan karakterisoida kyseinen komponentti.

Anturin tutkimista varten suunniteltiin, toteutettiin, ja verifioitiin vahvistimet ja mittausalusta. Anturille suunniteltiin kaksi piirilevyä PADS-ohjelmistolla: pääkortti, joka vahvistaa anturin signaalin, ja tytärkortti, johon anturi on asennettu. Ne kiinnitettiin mittausalustaan kuuluvan TMc300-monokromaattorin ulostuloon, joka antaa kalibroidun valokaistan anturille. Tällä järjestelyllä voidaan mitata valoanturia eri käyttöjännitteillä ja eri valaistuksissa. Mittaukset automatisoitiin ja tulokset kerättiin LabVIEW-ohjelmalla.

Uusi valoanturi ei ollut vielä valmistunut, joten vahvistimien toimivuus verifioitiin virtalähteen avulla. Mittausalusta kokonaisuudessaan verifioitiin käyttäen olemassa olevia fototransistoreita vertailukohteena. Tulokset osoittivat mittausalustan olevan käyttökelpoinen valoanturien karaterisointiin, ja vahvistimilla pystytään mittaamaan pieniä virtoja hyvällä tarkkuudella.

This thesis work was conducted at VTT Technical Research Centre of Finland Ltd. with the goal of creating a measurement setup for a novel nanotechnology-based photodetector. Photodetectors are widely used for example in imaging, motion detection, and biomedical applications. Research and development of electronic components require measurements, which can be used to characterize the component.

A measurement setup and an accompanying amplifiers for the photodetector were designed, constructed, and verified. Two testboard PCBs were designed using PADS software: The mainboard, which amplifies the signal, and the daughterboard, which houses the photodetector. The testboards were fixed to the measurement setup with a TMc300 Monochromator, which is used to provide a calibrated bandwidth of incident light. This system achieves the measurement of the signal with different bias voltages and lighting conditions. Automation of the measurement and data acquisition was done using a LabVIEW program.

The photodetector to be characterized was not yet manufactured, therefore the performance of the testboards was verified with a current source. The complete measurement setup was also verified with ready-made phototransistors used as reference. The results showed the measurement setup to be suitable for photodetector characterization measurements, and the implemented amplifiers were verified to be able to accurately measure small signal currents.