An uncooled infrared microbolometer detector array using surface micromachined mems technology

MAHMUD YUSUF TANRIKULU

An uncooled infrared microbolometer detector array using surface micromachined mems technology

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2007

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: MAHMUD YUSUF TANRIKULU

Danışman: TAYFUN AKIN

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

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.