Design, fabrication and characterization of a thermo-mechanical infrared detector array with integrated optical readout

Abstract

Termal görüntüleme; tıbbi görüntüleme, hedef tespiti, gözetleme, izleme devreleri ve kurtarma gibi birçok termal haritalama uygulamaları için yararlı bir araç olmuştur. Bu tezde, mikro elektro-mekanik sistem (MEMS) tabanlı, CMOS tabanlı optik okuma ile tümleştirilmiş soğutmasız termo-mekanik kızılötesi (IR) algılayıcı dizinlerinin tasarım, üretim ve karakterizasyonu sunulmaktadır.Algılayıcının çalışma prensibi, gelen kızılötesi ışınımın mekanik bükülmeye dönüştürülmesine dayanmaktadır. Pikseller, transparan bir alttaşa çiftmaddeli bacaklar aracılığıyla bağlanan asılı zarlardan oluşmaktadır. Emilen kızılötesi ışınım, yapının sıcaklığını değiştirir ve bu değişim, uzama katsayıları farklı olan çiftmadde bacakların bükülmesine neden olur. Bu mekanik bükülme, her pikselin altına gömülmüş kırınım ızgaralarından yansıyan okuma ışınının birinci kırınım mertebesi algılanarak nanometre altı hassasiyet ile optik olarak ölçülür. Tasarlanan algılayıcının en önemli özelliği pasif olmalarıdır, böylelikle okuma kısmından elektriksel ve termal olarak yalıtılmış durumdadırlar. Optik okuma için iki yöntemden yararlanılmıştır: (i) yansıyan ışının kırınım birinci mertebesinin Fourier filtrelemesi kullanılarak tekrar görüntülenmesi, (ii) MEMS algılayıcı dizini ile fotodetektör dizini ve dizindeki her piksel için optik okuma ışığını geçirmeyi sağlayan delikler barındıran CMOS çipinin tümleştirilmesi. Bu yöntem, optik okuma için yeni geliştirilen ve ilk defa denenen bir yöntemdir.Algılayıcı dizinleri 640x480, 320x240, 64x64 formatlı ve 35 µm piksel boyutlu olarak tasarlanmış, SixNy/Al ve parylene/Ti malzeme çiftleri kullanılarak, standart MEMS süreçleri ile üretilmiştir. Optik okuma devresi ise standart CMOS 0.18 µm üretim teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Üretim sonrası işlemler olarak çipler inceltilmiş ve çiplere okuma ışınının geçmesine izin verecek delikler açılmıştır. Elektronik çiplerin üretim sonrası işlemlerinden sonra bu çipler MEMS çiplerle hizalanmış ve bütünleştirilmiş, bu bütünleştirme yeni bir tümleşik optik okuma yöntemini mümkün kılmıştır.

Thermal imaging has been a useful tool in many thermal mapping applications such as medical imaging, target detection, surveillance, monitoring circuits and rescue. This thesis reports the design, fabrication and characterization of micro electro-mechanical system (MEMS) based uncooled thermo-mechanical infrared (IR) sensor arrays integrated with CMOS based optical readout.Pixelated sensor array operation is based on the conversion of incident IR radiation to mechanical displacement. The pixels are suspended membranes connected to a transparent substrate via bimaterial legs. Absorbed IR radiation modulates the temperature of the structure and this modulation causes the deflection of bimaterial legs that have a mismatch of coefficient of thermal expansion. This mechanical deflection is detected optically with sub-nm precision by monitoring the first diffracted order of the readout beam returning from the diffraction gratings that are embedded underneath each pixel. The main advantage of the designed sensors is that the MEMS die is passive, thus pixels are electrically and thermally isolated from the optical readout. Two options are exploited for the optical readout: (i) reimaging of diffracted light onto a CCD camera using Fourier filtering, (ii) integration of MEMS sensor array chip on a CMOS readout chip that contains a photodetector array and a through wafer via hole for each pixel for the illumination beam. This is a novel approach for optical readout and tried for the first time.Sensor arrays are designed and microfabricated in 640x480, 320x240 and 64x64 pixel formats with 35 µm sensor pitch using standard MEMS processes with SixNy/Al and Parylene/Al material combinations. Optical readout IC is fabricated using standard 0.18 µm CMOS process. As a post-process, the CMOS chips are thinned and through wafer holes are etched, which allow the readout laser beam to pass through. After the CMOS post-process steps, MEMS and CMOS dies are aligned and integrated, which enabled a novel integrated optical readout.