Optical readout methods for MEMS cantilever based sensors
MEMS çubuk tabanlı algılayıcılar için optik okuma yöntemleri
- Tez No: 442455
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 207
Özet
Optik okuma yöntemleri mikro-elektro-mekanik-sistem (MEMS) tabanlı algılayıcılara uzaktan okuma yöntemi olanağı tanıdığı için önemli ölçüde ilgi görmektedirler. Uzaktan okuma elektriksel bağlantı gerektirmez ve algılayıcı dizinleri için kolaylıkla ölçeklenebilir yapılara olanak tanır. Diğer yandan, optik okuma gürültüsü genellikle algılayıcı uygulamaları için hassasiyeti etkiler. Bu tez kapsamında, MEMS kızılötesi algılayıcılarda ve MEMS osilatörlerde algılama hassasiyetini iyileştirecek ve optik okuma gürültüsünü azaltacak yaklaşımlar sunulmaktadır. MEMS tabanlı, optik okumalı termo-mekanik kızılötesi algılayıcılar düşük maliyetlerinden ötürü ısıl dedektörlerin yaygınlaşabilmesinde önemli bir rol oynayabilirler. Isıl gürültü limitlerinde hassasiyet elde edilebilmesi için, optik okuma gürültüsü önemli oranda azaltılmalıdır. Bu amaçla, ilk olarak tekil bir algılayıcı için algılama hassasiyetini iyileştiren optik okuma yöntemleri sunulmuştur. İkinci olarak algılayıcı dizinleri için tümleşik ve tümleşik olmayan düzenekler geliştirilmiştir. Tekil MEMS kızılötesi algılayıcılar için girişimsel ve hüzme saptırmalı optik okuma yöntemleri incelenmiştir. DC gürültüyü azaltıp, ısıl ve uzamsal değişiklikleri algılama hassasiyetini arttıracak AC bağlaştırıcı okuma yöntemleri geliştirilmiş ve 35 µm boyutundaki MEMS algılayıcılar için detaylı bir gürültü analizleri yapılmıştır. Ayrıca, Fabry-Perot boşluğuna sahip bir MEMS algılayıcı için tasarım ve üretimler gerçekleştirilmiştir. Son olarak, prizma tabanlı bir optik okuma sistemi önerilerek MEMS algılayıcılar için uygulanmıştır. Çeşitli algılayıcı modelleri için gürültü eşlenikli sıcaklık farkı (NETD) 200 mK altında ölçülmüş, en iyi performans 150 mK olarak belirlenmiştir. Termo-mekanik prensiple çalışan algılayıcı dizinlerinin performanslarını iyileştirmek için iki ayrı yöntem geliştirilmiştir: i-) Fourier filtreleme temelli kompakt düzenek. Bu düzenekte, yakınsak aydınlatma kullanılarak düzenek küçültülmüş ve sistemin SNR oranı 4f optik sisteme kıyasla iyileştirilmiştir. ii-) 2-dalgaboylu optik okuma düzeneği. 2- dalgaboylu okuma düzeneğinde ise iki ayrı dalgaboyundaki ışık tek bir RGB kameranın iki ayrı kanalında eş zamanlı olarak aynı MEMS algılayıcıyı oluşturur. Bu düzenek bir biçimli olmayan algılayıcı dizinlerinde hassasiyetin ve dinamik aralığın arttırılmasını sağlamıştır. MEMS örneklerin CMOS elektroniğiyle tümleştirilmesi büyük dizin yapılarının ucuz ve küçük bir paket içerisinde operasyonunu mümkün kılar. Bu tez kapsamında, çok sayıda elemana sahip (64x64) MEMS tabanlı bir algılayıcı dizini, ilk defa çip seviyesinde bir CMOS okuma devresiyle birleştirilmiştir. Dizindeki her eleman, CMOS devresi silikon alt taşına açılmış delikler kullanılarak aydınlatılmıştır. Kırınım ızgaralı yapıların olduğu MEMS algılayıcılarla girişimsel bir optik okuma gerçekleştirilmiş, dedektörlerden yansıyan ışıklar CMOS devresi üzerindeki fotodedektör dizinlerine yönlendirilmiştir. Son olarak biyolojik veya kimyasal algılayıcılarda kullanılan dinamik MEMS çubuk dizinleri için iki lineer olmayan optik okuma düzeneği geliştirilmiştir. Küçük bir paket halindeki fazla elemanlı MEMS çubuk yapılarını görüntüleyebilmek için tekil bir kontrol yapısının kullanılabilmesi arzu edilen bir durumdur. Bu da her algılayıcı için ayrı satürasyon mekanizmasını gerektirmektedir. Bu noktada, tek bir kontrol yapısıyla dizinleri hareket ettirip görüntüleyebilmek adına lineer olmayan optik okuma düzenekleri kullanılmıştır. İlk yöntemde kırınım ızgaralı çubuklar girişimsel bir okumayı mümkün kılmış ve çoklu salınım için dizinlerin paralel çalışmasını sağlamıştır. İkinci yöntemde ise prizma tabanlı bir optik düzenek basit çubuk yapılar için önerilmiştir. Her iki yöntem de iki eş çubuğun tek bir sürücü ve tek bir dedektör kullanılarak ayrı ayrı salınmalarını sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Optical readout methods are attractive for micro-electro-mechanical system (MEMS) based sensors as they allow remote readout without electrical connections to the sensor chip and scalable architectures for sensor arrays. Optical readout noise is often the limiting factor in sensor applications. This thesis presents different optical readout methods that can improve the detection sensitivity and decrease the optical readout noise for MEMS sensors specifically for infrared (IR) detection and MEMS oscillator applications. MEMS based thermo-mechanical IR detection technology with optical readout can play a significant role for wide adaption of thermal detectors due to its low cost. In order to achieve sensitivities near the thermal noise limit, optical readout noise need to be reduced dramatically. For this purpose, firstly we demonstrated sensitivity improvements using a number of single sensor optical readout methods. Secondly, we developed both integrated and free-space based optical readout architectures for sensor arrays. Interferometric and optical beam deflection methods have been explored for a variety of single MEMS IR detectors. We developed AC-coupled detection methods to reduce the DC noise and increase the sensitivity to detect the thermal or spatial changes in the scene. Detailed noise characterizations of thermo-mechanical MEMS detectors with 35 µm pixels were performed. In addition, a single MEMS pixel with Fabry-Perot cavity type optical readout method was designed and fabricated. Lastly a novel prism-based optical-readout is proposed and demonstrated for a single lever MEMS pixel. The noise equivalent temperature differences (NETD) for different sensor designs were measured below 200 mK, with a best NETD performance of 150 mK. The measured noise levels were comparable to the state-of-the-art thermo-mechanical IR sensors for very small pixels. In order to improve the performance of the thermo-mechanical MEMS detector arrays, we developed two new approaches: i-) Compact optical Fourier filtering system. A convergent illumination system was developed, which reduced the size of the system and improved the SNR compared to the conventional 4f optical system. ii-) Two-wavelength based optical readout system. This method provided spatial auto-registration of two different color images on a single RGB camera. The sensitivity and dynamic operation range can be enhanced significantly by using two wavelengths for a non-uniform array. Integration of MEMS devices with CMOS electronics enables large array operation in a small low-cost package. MEMS-based sensor array with a large number of elements (64x64) is bonded at chip level with CMOS readout IC for the first time. A diffraction grating interferometer-based optical readout is realized by pixel-level illumination of the MEMS chip through the through-silicon via holes and by capturing the reflected light using a photodetector array on the CMOS chip. Lastly, two non-linear optical readout methods were developed for biological and chemical sensor arrays using dynamic MEMS cantilevers. A single controller is desired to monitor the entire array for tightly packed high density sensor arrays. A separate saturation mechanism and nonlinearity is required for each oscillating cantilever sensor. We used optical non-linearities to drive and sense multiple oscillators with a single controller. In the first method, MEMS cantilevers with embedded diffraction gratings were used in order to parallelize the array for multiple oscillations. In the second method, a prism-based optical readout method was proposed for simple cantilevers. Both methods were successfully implemented to actuate and monitor two nearly identical cantilevers with one actuation coil and photodetector.
Benzer Tezler
- Development of resonance tracking and optical readout methods for MEMS sensor arrays
MEMS sıra-algılayıcılar için tınlaşım takip ve optik okuma yöntemlerinin geliştirilmesi
ARİF MUSTAFAZADE
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Microcantilever based lab-on-a-chip sensor for real-time mass, viscosity, density and coagulation measurements
Gerçek zamanlı kütle, özkütle, viskozite ve pıhtılaşma ölçümleri için mikroçubuk tabanlı mikroakışkan algılayıcılar
ONUR ÇAKMAK
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- An electromagnetic MEMS-based resonator design for catheter tracking in MRI
MRG için kateter takibi amaçlı elektromanyetik MEMS-tabanlı rezonatör tasarımı
AHMET URAZ ÇAKACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA
- MEMS sensor platform for vital monitoring under mri and intraocular pressure measurement
Yaşamsal işaretlerin ve göz içi basıncın ölçülmesine yönelik MEMS basınç ölçer platformunun geliştirilmesi
PARVIZ ZOLFAGHARI
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Optical readout for infrared thermo-mechanical detector array
Kızılötesi termo-mekanik dedektör dizini için optik okuma
MUHAMMED FATİH TOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY