Low-cost microbolometer infrared detectors utilizing cmos resistive layers
Cmos direnç katmanları kullanan düşük maliyetli mikrobolometre kızılötesi dedektörler
- Tez No: 471271
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Bu tez, CMOS katmanlarını ve bileşenlerini kullanan düşük maliyetli mikrobolometre tipi soğutmasız kızılötesi detektör mimarisi geliştirme çalışmalarını özetlemektedir. Bu tezde, farklı CMOS teknolojilerine ait çeşitli direnç yapıları incelenmiş ve mikrobolometre aktif malzemesi olarak kullanılması olası direnç yapıları belirlenmiştir. CMOS teknolojisine ait bütün katmanların mekanik ve termal özellikleri potansiyel mikrobolometre yapısını belirleyebilmek adına incelenmiştir. Matematiksel modelleme ve bilgisayar benzetimleri yapılmıştır. CMOS bileşenleri hakkında deneysel veri toplayabilmek için çeşitli direnç ve mikrobolometre yapıları içeren iki farklı deneme çoklu proje CMOS tasarımı tamamlanmıştır. Bu tasarımlar 0.35 µm ve 0.18 µm CMOS süreçleriyle üretilmiştir; direnç ve mikrobolometre yapıları elektriksel özdirenç, direnç sıcaklık katsayısı, termal iletkenlik ve elektriksel gürültü açılarından karakterize edilmiştir. Bunların sonucunda, biri 60 µm pikselden oluşan 40x40 formatta diğeri 35 µm pikselden oluşan 80x80 formatta iki farklı mikrobolometre kızılötesi sensörün odak düzem dizisi olarak tasarlanmıştır. Geliştirilmiş ve üretilmiş sensörlerin performansı başarılı bir şekilde karakterize edilmiştir. Bu tezin sonuçları üç başlıkta özetlenebilir. İlk olarak, CMOS direnç katmanı oldukça küçük düşük frekans gürültüsü ve odak düzlem dizisi boyunca yüksek yeknesaklıkla mikrobolometre aktif malzemesi olarak kullanılabilirliği kanıtlanmıştır. İkinci olarak, bu tez kapsamında tasarlanan ilk mikrobolometre mimarisi, dünyadaki neredeyse tüm CMOS/MEMS kuruluşları tarafından üretilebilen CMOS kızılötesi teknoloji kavramının temellerini oluşturmaktadır. Üçüncü olarak, Mikrosens mühendislik takımı tarafından, bu tez kapsamında geliştirilen mikrobolometre dedektör yapılarını kullanan iki farklı kızılötesi sensör tasarlanmış ve üretilmiştir. Nihai karakterizasyon sonuçlarının gösterdiği üzere, 60 µm CMOS direnç dedektörlü 40x40 formattaki dizi 30 fps'de 237 mK NETD elde ediyorken, 35 µm CMOS direnç dedektörlü 80x80'lik dizi f/1 optik ve 17 fps ile 150 mK NETD değeri elde edebilmektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the efforts to develop low-cost microbolometer type uncooled infrared detector architectures that utilize standard CMOS layers and components. Various resistance structures of different CMOS technologies are investigated and possible resistors are determined as the active material. In order to figure out potential microbolometer structure, all possible layers in the CMOS technologies are analyzed in terms of mechanical and thermal parameters. Mathematical modeling and computer simulations are realized. In order to obtain experimental data about the CMOS components, two different multi-project wafer CMOS chips are completed that contain various resistances and microbolometer structures. These designs are fabricated in a 0.35 µm and 0.18 µm CMOS processes and characterized in terms of electrical resistivity, temperature coefficient of resistance, thermal conductance, and noise. The characterization results are used to employ two different microbolometer infrared sensors focal plane arrays (FPAs), one with the 40x40 array size and 60 µm pixel size and the other one with the 80x80 array size with 35 µm pixel size. The developed and fabricated sensors are characterized in terms of the detector performance successfully. The outcome of this thesis can be summarized in three items. First of all, it is proven that the CMOS resistive layers can be used as the microbolometer active material, thanks to their very low flicker noise and very high uniformity across the FPA. Secondly, the microbolometer architecture designed in the scope of this thesis formed the fundamentals of the CMOS Infrared (CIR) Technology concept, which enables the fabrication of the infrared sensors in almost any CMOS/MEMS foundries in the world. Thirdly, two different infrared pixel structures developed in the scope of this thesis are employed to develop two different microbolometer FPAs with a team effort of Mikrosens Inc. The 40x40 FPA with 60 µm pixel pitch provides an 237 mK NETD value at 30 fps, in a dewar vacuum conditions with f/1 optics, while the 80x80 FPA with 35 µm pixel pitch provides 150 mK and 68 mK NETD values at 17 fps and 4 fps, respectively, in a dewar vacuum conditions with f/1 optics.
Benzer Tezler
- A small-format microbolometer imaging sensor with digital video outputs
Sayısal video çıkışlı ve küçük boyutlu mikrobolometre görüntüleme sensörü
CEM YALÇIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Camera electronics for low-cost microbolometer type infrared detectors
Düşük maliyetli mikrobolometre tipi kızılötesi dedektörler için kamera elektroniği
CEREN TÜFEKÇİ
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 and characterization of low-cost uncooled infrared sensors for commercial applications
Ticari uygulamalar için düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi algılayıcıların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
FIRAT TANKUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
DR. SELİM EMİNOĞLU
- Design and implementation of high fill factor structures on low-cost uncooled infrared sensors
Yüksek doluluk oranlı yapıların düşük maliyetli kızılötesi dedektörler üzerine tasarımı ve uygulaması
OZAN ERTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN