Design, fabrication and characterization of a MOEMS based thermal imaging system
MOEMS tabanlı termal görüntüleme sistemi tasarımı, üretimi ve testi
- Tez No: 277021
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2010
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 181
Özet
Sıcaklık algılama dizinleri, askeri, güvenlik, medikal ve birçok sanayi alanında kullanılmaktadır. Bu tezde, optik okumalı mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) tabanlı termo- mekanik kızılötesi algılayıcı tasarımı, üretimi ve testleri sunulmaktadır. Dizindeki her bir algılayıcı, bacaklarındaki genleşme katsayısı farklılıkları sayesinde kızılötesi ışınımı bükülmeye dönüştürmektedir. Bu mekanik hareket, algılayıcıların arka tarafından gerçekleştirilen ve kırınım ızgarası kullanan optik okuma teknikleri sayesinde nanometre altı hassasiyet ile ölçülebilmektedir.Optik okumalı termo-mekanik algılayıcıların en büyük avantajlarından biri pasif olmalarıdır, yani algılayıcılar ve okuma düzeneği birbirlerinden yalıtılmıştır, bu sayede birbirlerinden bağımsız olarak tasarlanabilmektedir. Yüksek yalıtım özelliği, algılayıcının kayıp olmaksızın ışınları toplamasını sağlar. Tasarımlar daha düşük algılayıcı boyutlarına indirgenebilir ve girişimsel optik sinyalin algılayıcı hareketine gore periyodik ışık çıktısı sayesinde güneş körlüğü gibi problemlerden etkilenmez.160x120 elemanlı, 50x50um algılayıcı dizinleri, 30 fps video uygulamaları için tasarlanmış ve ODTÜ-MET, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) ve Georgia Institute of Technology bünyesinde farklı malzemeler kullanılarak üretilmiştir. Üretilen dizinler arkadan lazer ile aydınlatılmış, geri dönen ışık bir CCD kamera üzerinde toplanmak suretiyle gerçek zamanlı videolar çekilebilmiştir. 8 bit CCD kamera ile yapılan testlerde 20K NETD (gürültü eşlenikli sıcaklık farkı) değerine ulaşılmıştır. Teorik hesaplar, 12 bit CCD kamera ve yeni tasarımlarla
Özet (Çeviri)
Thermal sensor arrays are used in thermal mapping of the environment for numerous defense, security, medical and industrial applications. This thesis reports novel micro-electro-mechanical system (MEMS) based thermomechanical Infrared (IR) sensor arrays with micro-optical readout. Each sensor within the array converts the infrared radiation to mechanical displacement by utilizing the thermal mismatch of its bimaterial legs. The deflections are measured with sub-nanometer accuracy using optical readout with embedded diffraction gratings at each sensor.Designed sensors have the advantage of being passive, i.e electrically and thermally isolated from the readout, such that MEMS and readout mechanism can be separately optimized. High thermal isolation enables the sensor to accumulate significant amount of heat with little loss. The designs are scalable to smaller pitch and higher resolutions. Thanks to the cyclic output of the interferometric readout, the array is immune to saturation effects such as sun blindness, which can occur when a sensor is exposed to high temperature objects.Pixelated 160x120 arrays with 50um sensor pitch are fabricated for 30 frames per second(fps) video applications at leading foundries in USA and Europe, namely Georgia Institute of Technology, Swiss Federal Institute of Technology, and Middle East Technical University, using different material combinations. Real time IR images are successfully acquired with the fabricated sensor arrays through backside laser illumination. The intensity change of the diffracted light is monitored real time with a CCD camera. Characterization results of a sub-optimal array design reveal a Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of ~20K using an 8 bit A/D CCD camera, which matches with the theory for the given experimental conditions, which corresponds to a noise equivalent power (NEP) value of 5 nW/ Hz1/2 and a temperature sensitivity of 20mK on the sensor structure. Theoretical calculations indicate state of the art performance ( 30% increase in the average sensitivity is demonstrated. Simulations and experiments were conducted to demonstrate and explain the periodic nature of the interference signal envelope at large displacements in a grating based sensor device due to Talbot image formation. Moreover, study and experimental verification of diffraction order fringe visibility for grating based tilted sensors are presented. Analysis of surface reflectivity and grating duty-cycle effect on the diffraction order intensities are provided.
Benzer Tezler
- Design, fabrication and characterization of a thermo-mechanical infrared detector array with integrated optical readout
Optik okuma ile tümleştirilmiş termo-mekanik kızılötesi algılayıcı dizinlerinin tasarım, üretim ve karakterizasyonu
REFİK BURAK ERARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- A low-cost uncooled infrared imaging sensor using MEMS and a modified standard CMOS process
Düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi detektör dizini
MEHMET ALİ GÜLDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
DR. SELİM EMİNOĞLU
- MEMS resonant temperature sensing with variable coupling stiffness and improved sensitivity
Yüksek çözünürlüklü, değişken eşlenik yay sabitli titreşim tabanlı MEMS sıcaklık sensörü
ERTUĞ ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE YÜCE
- Analysis of thermal drift in atomic force microscopy and design of compensating MEMS-based micro-stage
Atomik kuvvet mikroskobunda gözlenen ısıl sapmanın analizi ve sapma önleyici mikro-yapı tasarımı
SELİN TOLUNAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. HAMDİ TORUN
- Design, fabrication, and applications of multi-mode nanoelectromechanical systems
Çok modlu nanoelektromekanik sistemlerin tasarım, üretim, ve uygulamaları
ATAKAN BEKİR ARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET SELİM HANAY