Development of high fill factor and high performance uncooled infrared detector pixels
Yüksek etkin alanlı ve yüksek performanslı soğutmasız kızılötesi detektörlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 305161
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Bu tezde yüksek etkin alanlı ve yüksek performanslı yüzey mikroişleme teknolojisi ile üretilen soğutmasız kızılötesi direnç tipi mikrobolometre dedektörün tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu sunulmaktadır. Aktif malzeme YBCO olarak seçilirken, 25 ?m büyüklüğündeki pikseller iyileştirilmiş direnç yapısı kullanılarak çift katlı olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Piksel yapısının ilk katı daha uzun destek kolları dolayısıyla daha düşük ısıl iletkenlik elde etmek amacıyla, destek kollarının şekillendirilmesi için ayrılmıştır. Piksel gövdesi, dedektörün etkin alanını ve emilimini azami seviyeye çıkarmak için ikinci katta geliştirilmiştir. Yapısal ve feda katmanları da 8-12 ?m dalgaboyu aralağındaki emilimi artırmak amacıyla optimize edilmiştir. Isıl simülasyonlar, sonlu eleman metodu (FEM) kullanılarak CoventorWare yazılımında yapılmıştır. Tasarlanan piksel, % 92'lik bir etkin alana sahiptir; ayrıca ısıl iletkenliği ve ısıl zaman sabiti sırasıyla 16.8 nW/K ve 19.3 ms olarak hesaplanmıştır.Pikseller, CMOS'a uyumlu üretim sürecinin tasarlanmasının ardından ODTU MEMS tesislerinde üretilmiştir. Tüm üretim aşamaları beklenen yüksek performansı elde edtmek amacıyla tek tek optimize edilmiştir. Piksellerin karakterizasyon aşaması direncin sıcaklıkla değişim katsayısı (TCR), pikselin gürültü seviyesi, ısıl iletkenliği ve ısıl zaman sabitinin ölçülmesini kapsamaktadır. Toplam direnci 55 k? ve koldirenci 8 k? olan pikselin direncinin sıcaklıkla değişim katsayısı (TCR) %?2.8 olarak ölçülmüştür. Pikselin 1/f gürültüsünün sınır frekansı 20 ?A ve 10 ?A akım biası için sırasıyla9.5 kHz ve 1.4 kHz'dir 8.4 kHz bant genişliği ve 20 ?A akım biası için toplam etkin değer 192 pA'dir. Pikselin ısıl iletkenliği 17.4 nW/K ve zaman sabiti 17.5 ms olarak ölçülmüştür.Ölçüm sonuçları, bu tez kapsamında tasarlanan ve üretilen piksellerin büyük biçimli odak düzlem matrislerine uygulanabilir olduğunu göstermektedir. 384x288 ve 640x480 boyutundaki odak düzlem matrisleri için beklenen gürültü eşlenikli sıcaklık farkı (NETD) değerleri sırasıyla 33 mK ve 36 mK'dir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, fabrication and characterization of high performance and high fill factor surface micromachined uncooled infrared resistive microbolometer detectors which can be used in large format focal plane arrays (FPAs). The detector pixels, which have a pixel pitch of 25 ?m, are designed and fabricated as two-level structures using the enhanced sandwich type resistor while the active material is selected as Yttrium Barium Copper Oxide (YBCO). First level of the pixel structure is allocated for the formation of the support arms in order to obtain longer support arms hence lower thermal conductance values to get the desired high performance levels. The pixel body is built in the second level such that the fill factor and absorption of the detector is maximized. Structural and sacrificial layer thicknesses are also optimized in order to increase the absorption coefficient of the pixel in the 8-12 ?m wavelength range. The thermal simulations are conducted using finite element method (FEM) by CoventorWare software. The designed pixel has a fill factor of 92 % together with the thermal conductance and thermal time constant values calculated as 16.8 nW/K and 19.3 ms in the simulations, respectively.The pixels are fabricated at METU MEMS facilities after the design of a CMOS compatible process flow. All process steps are optimized individually to obtain the expected high performance. Characterization step of the pixels includes themeasurements of temperature coefficient of resistance (TCR), noise and thermal conductance value together with the thermal time constant. Effective TCR of the pixel is measured as -2.81 %/K for a pixel with a support arm resistance of 8 k? and total resistance of 55 k?. The corner frequency of 1/f noise in the pixel is 9.5 kHz and 1.4 kHz under 20 ?A and 10 ?A current bias, respectively. The total rms noise is 192 pA within 8.4 kHz bandwidth for a current bias of 20 ?A. Thermal conductance, Gth, of the pixel is measured as 17.4 nW/K with a time constant of 17.5 ms.The measurement results indicate that the single pixels designed and fabricated in the scope of this thesis are applicable to large format FPAs in order to obtain a high performance imager. The expected NETD values are 33 mK and 36 mK for 384x288 and 640x480 format FPAs, respectively.
Benzer Tezler
- A High fill factor CMOS uncooled infrared microbolometer detector
Yüksek etkin alanlı CMOS soğutmasız kızılötesi mikrobolometre dedektörü
MAHMUD YUSUF TANRIKULU
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- An uncooled infrared microbolometer detector array using surface micromachined mems technology
Yüzey mikroişleme mems teknolojisi ile soğutmasız kızılötesi mikrobolometre detektör dizini
MAHMUD YUSUF TANRIKULU
Doktora
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Development of salient-pole synchronous machines by using fractional slot concentrated winding technique & additional permanent magnets
Çıkık kutupku senkron makinaların kesirli oluklu konsantre sargı tekniği ve ilave kalıcı mıknatıslar kullanılarak geliştirilmesi
TAYFUN GÜNDOĞDU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ
- Çevre dostu CuSbSe2 ince film güneş hücreleri: Sürdürülebilir enerji için zehirli olmayan pencere katmanlarının kullanımı
Enviromentally friendly CuSbSe2 thin film solar cells: Utilizing non-toxic window layers for sustainable energy
ERSİN BAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiGazi ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN SÜRÜCÜ
- Nikel oksit nano yapılı delik taşıyıcı materyal tabanlı p-i-n perovskit güneş hücresinin aktif katman optimizasyon ve karakterizasyonları
Characterization and optimization of active layer of p-i-n perovskite solar cell based on nickel oxide nanostructured hole transport material
ATAKAN CANATAN