Uncooled infrared focal plane arrays with integrated readout circuitry using MEMS and standard CMOS technologies
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2003
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: SELİM EMİNOĞLU
Danışman: TAYFUN AKIN
Özet:Bu tezde kızıl ötesi gece görüş uygulamaları için MEMS ve standart CMOS teknolojileri kullanılarak düşük maliyetli, okuma devreleri ile entegre edilmiş soğutmasız kızıl ötesi dedektör odak düzlem matrisleri (ODMler) anlatılmaktadır. Geliştirilen kızıl ötesi mikrobolometre dedektörleri, 0.35 um CMOS üretim süreci ve sonrasında basit bir gövde aşındırma işlemi kullanılarak üretilen, gövdeden ısıl olarak izole edilmiş p+-aktif/n-kuyu diyot yapılarına dayanmaktadır. CMOS üretim sonrasında yapılan işlemler ne kritik bir pozlama ne de karmaşık bir malzeme serim işlemi içermektedir; bu nedenle, odak düzlem matrisinin maliyeti oldukça düşürülmüştür. Entegre okuma devresi özel olarak p+-aktif/n-kuyu diyot tipi mikrobolometreler için geliştirilmiş olup, daha önceden geliştirilen diyot tipi mikrobolometrelere uygun okuma devrelerinden daha düşük giriş gürültüsüne sahiptir. Düşük gürültülü entegre okuma devreleri içeren 64 x 64 ve 128 x 128 dizin formatlı iki adet odak düzlem matrisi üretilmiştir. Üretilen bu odak düzlem matrisleri bu boyutlarda CMOS teknolojisinde üretilmiş olan ilk odak düzlem matrisleri olma özelliğine sahiptirler. Üretilen dedektörlerin sıcaklık sabitleri -2 mV/K, ısıl iletileri 1.55 xl O"7 W/K, ısıl zaman sabitleri 36 ms'dir ve ölçülmüş kızılötesi DC cevaplılıklan sürekli kutuplama altında 4970 V/W'dır. Ölçülen dedektör gürültüsü 8 kHz elektriksel band aralığında 0.69 uV'dur ve 9.7 x 108 cnWHz/W'lik bir dedektivite değerine karşılık gelmektedir. 64 * 64 odak düzlem matrisindeki 4096 adet piksel, düşük gürültülü fark-geçiş-ileti yükselticisi, anahtarlamalı kapasitör entegratörü ve örnekle-ve-tut devreleri içeren 16 kanallı paralel bir okuma devresi tarafından taranmaktadır. Üretilen 64 x 64 odak düzlem matrisinin boyutu 4.1 mm x 5.4 mm, güç tüketimi 25 mW olup, 30 fps tarama hızında f/l optik ile 0.8 K'lik bir gürültüye eş sıcaklık farkı (GESF) sağlaması beklenmektedir. CMOS üretim sonunda 64 x 64 odak düzlem matrisinin ölçülmüş eşdeğersizlik değeri % 0.8'dir ve bu değer 128 x 128 odak düzlem matrisinde geliştirilmiş odak düzlem yapısı sayesinde % 0.2'ye kadar indirilmiştir. 128 x 128 odak düzlem matrisindeki 16384 adet piksel 32 kanallı bir okuma devresi tarafından okunmaktadır. 128 x 128 odak düzlem matrisinin boyutu 6.6 mm x 7.9 mm, güç tüketimi 25 mW olup, 30 fps hızında f/l optik ile 1 K GESF değeri sağlaması beklenmektedir. Okuma devrelerinin ve CMOS sonrası aşındırma işlemlerinin optimizasyonu ile verilen GESF değerlerinin 350 mK'in altına indirilmesi mümkündür. Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı öne sürülen bu yeni yöntem, düşük maliyetli kızıl ötesi görüntüleme uygulamaları için büyük dizin yapılarının düşük maliyet ile üretimini mümkün kılmaktadır. Anahtar Kelimeler: Soğutmasız kızıl ötesi dedektörler, mikrobolometreler, düşük maliyetli mikrobolometre dedektörleri, soğutmasız kızılötesi odak düzlem matrisleri, mikrobolometreler için okuma devreleri.