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論文内容の要旨(博士)

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Academic year: 2024

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(1)

Depar虹nent

Electricaland Eledr011ic

PpliC飢t's nalne

氏名

Itlformetion En宮h)ee血lg

1王ARYOKTAVIANro

Student Φ Number

Title ofThesis

博士学位論文名

学籍番号

(Approx.800 、Nords)

(要旨 1,200字程度)

Smart ultraviolet sensorfor Hydrogen Fla血e DetectorApplicationbased on

Neuro・OElc andFPGA

ニューロ0EICとFPGA技術を基にした水素火炎検知用スマート紫外光センサ 第 139201号

It is importa11t to have a continuous monitoring system for detecting a hydrogen aame in industries,1aboratories, or residential area to prevent 員ldher damages. Detecting a hydrogen aame in daylight at a wide obseNation area is di伍Cult since the hydrogen aame produces a pale blue C010r a11d generates less heat, but emits l"Ⅳ・c radiation. By exploiting the application of the Optoelectronic integrated circuits (OEIC), a smart 〔jv sensor for detecting a hydrogen aame is Proposed.1his doctoralthesis presents a study on a smart l.jv sensor for hydrogen aame detector application by three・dimensional(3・D) integration beNeen a neuro‑OElc and 即 FPGA to realize a chip with sma11form factor and low‑powerconsumption.

The smart{.Jv sensor not only detects the hydrogen aame but also delivers the information about the location, speed, direction, a11d spreading status of the hydrogen aame. The smart ljv Contains of three parts: focal pla11e array (FPA) of l̲jv・sensitive photodiodes,

Sensor

Complementary metal oxide semiconductor (CNIOS) circuit as a readout circuit and an edge detection circuit (EDC), a11d the motion object detection circuit implemented in the 6eld‑programmable gate anay (FPGA). The neuro‑OElc that mimics the outer vedebrate retina Combinesthe FPA a11d EDc to eX訂'actthe edge ofthe detected object for acting as a preprocessing Unit.訊lhile the FPGA is used as an image analyzer.

Previous rese釘Ch in our laboratory fabricated a backside‑i11Uminated schottky barrier diode Pvn‑・AI0.49Gao.51N on sapphire asthe l̲Ⅳ focalplane anay. The photodiode has a size of250 μm x 250 μm with a pitch of500 μm. The leakage cunent、Nas lo‑BAat 3.o v bias with an idealfactor Of l.14. under i11Umination, the photodiode showed a photocunent of 8 × 10‑U A 、vith the responsiviw of2 × 10‑4 A/w at a radiation power of 6.4 μW/mm2. This Nveals thatthe extemal quan加m e伍Ciency ofthe fabricated photodiode was  0.1%.1n near 6.1ture, the extemal qU卸tum e伍Ciency of the photodiode wi11 be expected increasing up t0 10%. Thus, the photodiode 、Ni11 Produce photocunentin ar砥lge of 14.1 fA ・ 14.111A.

The motion object detection circuitin the FPGA utilized histogram projection to determine the object's position 、Nithin the image. The image is projected vertica11y and horizontaⅡy. Both edges of the projected object are located to get the size of the object. From those edges, other

Date of submissl0Π

論文内容の要旨(博士)

AbstNct

平成 29年07月

SupeNisors

指導教員

AKIHIROWA^1塾RA KAZUANSAWADA

10日

(2)

information is derived such as the cenhoid, speed, direction, and spreading status of壮le ob'ect. A two、dimensional anay of 250 × 250 pixels was simulated to evaluate the system,s calculation of the speed a11d direction ofthe given object. The execution time ofthe implemented circuit in the Spartan・6 XC6SLX25 FPGA device was o.05 ms. Thus, the implemented circuit in 壮le FPGA

might process the images up t020,000 負'alnes/S.

The hydrogen aame 、Nastargetedto occur as a spurt、¥ith aheight of5 m with aaame s eed Of loo m/s at lo m away 負'om the sensor. An opticalsubsystem such as a convex lens with a 血Cal Iength of3 mm might be added to have a better focused object as、Ne11as increasing the photon aux received by the focal plane array. using the fabricated focal pla11e array, the minimum number of the pixel required to detect the targeted hydrogen aalne iS 3 × 3 Pixels.1n 小is stage, the cMOS Circuit was fabricated and wired・integated 、Nith the motion object detection circuitimplemented in the FPGA to evaluate the calculation ofthe object's aame speed. The photocunents were simulated Using a microcontr0Ⅱer that 、¥as programmed to generate moving pattems. The one、dimensional anay cMos circuit of l X 16 Pixels was fabricated with l.5 μm processtechn010部 Using 5 micron Ialnbda Nles. The silicon diode as the readout circuit has a size of50 μm X 50 μm with a foNard

Voltage ofo.58 V 磁ld a leakage cunent ofo.64 nA at‑1.o v bias. The MOS 力・ansistor has a width

and a length of 15 μm a11d l0 μm, respectively. The NMos has a threshold voltage of l.6 V with a

Sa加ration cunent of 03 mA at a ンGs of 5.o v a11d a pDs of 3.O V The pMos has a threshold Voltage of‑1.6 V with a saturation cunent of・0.13 mA at a pGs of‑5.o v a11d a pDs of、3.O V The

fabricated EDc chゆ Can detectthe given photocunentin a ra11ge of loo nA 、 50 A with ン 0f5

V,ン0Fs of 22 V, and p'7H of 22 V. The 、Nired‑integated system 圦las evaluated to calculate the

Object with a speed in r釘lge of o.86 ‑1,957.8 Pixels/s which is equalto an actual aarne speed of

1.43 ‑3,263 m/S.

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