An uncooled infrared microbolometer detector array using surface micromachined mems technology
Yüzey mikroişleme mems teknolojisi ile soğutmasız kızılötesi mikrobolometre detektör dizini
- Tez No: 419653
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2007
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 185
Özet
Bu tezde yüzey mikroişleme teknolojisi ile üretilen soğutmasız kızılötesi direnç tipi mikrobolometre detektörünün tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu ve bu detektörler kullanılarak üretilen 320x240 odak düzlem matrisinin (ODM) gerçeklenmesi anlatılmaktadır. Tasarım, detektör aktif materyalinin Yitriyum Baryum Bakır Oksit (YBaCuO) olarak seçilmesini, emilim miktarının bulunabilmesi için detektörlerin birleştirilmiş iletim hatları olarak modellenmesini, piksel ve detektör yapısının tasarımını ve detektörlerin ısıl ve mekanik simülasyonlarını kapsamaktadır. Tasarlanan detektörün büyüklüğü 50 μm ve doluluk oranı % 64'tür. Detekörün 8-12 μm dalgaboyu aralığındaki emilimi % 66 olarak hesaplanmış ve ısıl iletkenliği (Gth) 9.4x10-8 W/K olarak simüle edilmiştir. Detektörün fabrikasyon basamakları ve bu basamaklarda kullanılan katmanlar ayrı ayrı optimize edilmiştir. Aktif materyal olan YBaCuO, en yüksek performansı elde etmek için, özdirenci minimum ve direncin sıcaklıkla değişim katsayısı (TCR) maksimum olacak şekilde optimize edilmiştir. Emilim katmanının yüzey direnç değeri en yüksek kızılötesi emilimi sağlayacak olan 377 Ω/ değerine getirilmiştir. Detektörün karakterizasyonu için TCR, Gth, gürültü ve tepkisellik değerleri ölçülmüştür. TCR -3.4 %/K olarak ölçülmüştür ve bu değer makul özdirençli YBaCuO detektörleri içinde ölçülen en yüksek değerlerden biridir. ısıl iletkenlik değeri test detektörlerinin ölçümleri sonucunda 9.0x10-8 W/K olarak bulunmuştur. Yine yapılan ölçümlerde 1/f gürültüsünün köşe frekansı 27 μA akım altında 1.6 kHz olarak bulunmuştur. Bu değer literatürdeki değerler ile uyumludur. Son olarak tepkisellik değeri, test detektörlerinin karakterizasyonu sonucu 10 μA akım altında 400000 V/W olarak bulunmuştur. Bu ölçüm sonuçlarına göre gürültü eşlenikli sıcaklık farkı (NETD) 55 mK olarak tahmin edilmektedir. Tasarlanan detektörler kullanılarak 320x240 boyutlarında ODM CMOS plakalar üzerinde okuma devreleri ile beraber üretilmiş ve laboratuvarlarımızda kurulan bir test düzeneği ile ilk kızılötesi görüntüler elde edilmiştir. Elde edilen bu görüntüler detektörlerin CMOS okuma devreleri ile monolitik bir şekilde başarılı olarak üretildiğini göstermektedir. Bu çalışma Türkiye'de MEMS ve kızılötesi görüntü sistemlerinin geldiği noktayı gösteren çok önemli bir örnektir. Üretilen bu ODM yüksek performans gerektiren uygulamalar için kullanılabilecek Türkiyede üretilen ilk yüzey mikroişlenmiş soğutmasız kızılötesi mikrobolometre matrisidir. Bu teknolojinin geliştirilmesi ile Türkiye özgün olarak soğutmasız kızılötesi ODM üretebilen 4. ülke olmuştur.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, fabrication, and characterization of a surface micromachined uncooled infrared resistive microbolometer detector along with the implementation of a 320x240 focal plane array (FPA) using this detector. The detector design includes the selection of the detector active material as Yttrium Barium Copper Oxide (YBaCuO), modeling of the detector as cascaded transmission lines (CTL) for absorptance calculations, optimization of the pixel and electrode structures, and the simulation of the thermal and the mechanical properties. The detector is designed to have a pixel pitch of 50 μm with a fill factor of 64 %. The absorptance is calculated to be 66 % in 8-12 μm wavelength region, and the thermal conductance (Gth) of the detector is simulated to be 9.4x10-8 W/K. The fabrication steps of the detector and the layers used in these steps are optimized separately during the realization of the detector. The active material, YBaCuO, is optimized to have minimum resistivity and maximum temperature coefficient of resistance (TCR) in order to achieve the highest performance parameters. The absorber layer, titanium nitride (TiN), is also optimized to have a sheet resistance value of 377 Ω/ to have the highest infrared absorptance. The characterization of the detector includes TCR, Gth, noise, and responsivity measurements. TCR is measured to be -3.4 %/K which is one of the highest TCR values among YBaCuO detectors with a reasonable resistivity. The Gth value is extracted to be 9.0x10-8 W/K from the test detector measurements. Also the 1/f noise corner frequency is measured to be 1.6 kHz at 27 μA bias current which is compatible with the values in the literature. Finally, the responsivity value is extracted as 400000 V/W at 10 μA current bias from the test detector characterization. Using these measurement results the NETD value of a 320x240 FPA consisting of these detectors is estimated as 55 mK. A 320x240 FPA is fabricated on CMOS wafers together with the readout circuitry using the designed pixels and the first infrared images are obtained using an in house built test setup. The obtained images show that the detectors are successfully fabricated monolithically with the CMOS readout circuit and the FPA is working properly. The research completed under the scope of this thesis is a very important example of the development of MEMS and infrared imaging systems in Turkey. The fabricated FPA, which is the first surface micromachined uncooled infrared microbolometer array in Turkey, can be used for applications requiring high performance. With the development of this FPA Turkey has become the 4th country that has developed its own technology to fabricate uncooled microbolometer FPAs.
Benzer Tezler
- 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
- Uncooled infrared focal plane arrays with integrated readout circuitry using MEMS and standard CMOS technologies
MEMS ve standart CMOS teknolojileri ile entegre okuma devreli soğutmasız kızılötesi odak düzlem matrisleri
SELİM EMİNOĞLU
Doktora
İngilizce
2003
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- Development of small size uncooled infrared microbolometer pixel
Minyatür soğutmasız kızılötesi mikrobolometre pikseli geliştirilmesi
BARAN UTKU TEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
PROF. DR. RAŞİT TURAN
- High performance readout electronics for uncooled infrared detector arrays
Soğutmasız kızılötesi detektör dizinleri için yüksek performanslı okuma elektroniği
ÖMER ÖZGÜR YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- 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