Design, fabrication and characterization of a MOEMS based thermal imaging system

Abstract

Sıcaklık algılama dizinleri, askeri, güvenlik, medikal ve birçok sanayi alanında kullanılmaktadır. Bu tezde, optik okumalı mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) tabanlı termo- mekanik kızılötesi algılayıcı tasarımı, üretimi ve testleri sunulmaktadır. Dizindeki her bir algılayıcı, bacaklarındaki genleşme katsayısı farklılıkları sayesinde kızılötesi ışınımı bükülmeye dönüştürmektedir. Bu mekanik hareket, algılayıcıların arka tarafından gerçekleştirilen ve kırınım ızgarası kullanan optik okuma teknikleri sayesinde nanometre altı hassasiyet ile ölçülebilmektedir.Optik okumalı termo-mekanik algılayıcıların en büyük avantajlarından biri pasif olmalarıdır, yani algılayıcılar ve okuma düzeneği birbirlerinden yalıtılmıştır, bu sayede birbirlerinden bağımsız olarak tasarlanabilmektedir. Yüksek yalıtım özelliği, algılayıcının kayıp olmaksızın ışınları toplamasını sağlar. Tasarımlar daha düşük algılayıcı boyutlarına indirgenebilir ve girişimsel optik sinyalin algılayıcı hareketine gore periyodik ışık çıktısı sayesinde güneş körlüğü gibi problemlerden etkilenmez.160x120 elemanlı, 50x50um algılayıcı dizinleri, 30 fps video uygulamaları için tasarlanmış ve ODTÜ-MET, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) ve Georgia Institute of Technology bünyesinde farklı malzemeler kullanılarak üretilmiştir. Üretilen dizinler arkadan lazer ile aydınlatılmış, geri dönen ışık bir CCD kamera üzerinde toplanmak suretiyle gerçek zamanlı videolar çekilebilmiştir. 8 bit CCD kamera ile yapılan testlerde 20K NETD (gürültü eşlenikli sıcaklık farkı) değerine ulaşılmıştır. Teorik hesaplar, 12 bit CCD kamera ve yeni tasarımlarla <100mK NETD değerine ulaşılabileceğini göstermektedir.Tez kapsamında, optik okumadaki hassasiyetinin arttırılması adına birden fazla ışık kaynağının kullanımı irdelenmiş, ve iki boyutlu algılayıcı dizinleri üzerinde uygulanmıştır. Bunun yanında algılayıcıdaki eğik hareketin optil okumada sebep olduğu değişimler Fourier Optik teorisi ile incelenmiş, kırınım ızgarasının ve algılayıcı üzerindeki yansıtıcının yansıtma özelliklerinin, ızgara üzerindeki boşluk / period oranının ve kırınım ızgarasından yansıyan ışığın üzerinde toplandığı detektör boyutunun okuma üzerindeki etkileri gösterilmiştir. Ayrıca, hareketli kırınım ızgaralarındaki yüksek hareket miktarının etkileri, MEMS tabanlı Fourier dönüşüm tayfölçerleri üzerinde gösterilmiş ve bu tip tayfölçerler için temel çözünürlük ölçütü çıkartılmıştır.

Thermal sensor arrays are used in thermal mapping of the environment for numerous defense, security, medical and industrial applications. This thesis reports novel micro-electro-mechanical system (MEMS) based thermomechanical Infrared (IR) sensor arrays with micro-optical readout. Each sensor within the array converts the infrared radiation to mechanical displacement by utilizing the thermal mismatch of its bimaterial legs. The deflections are measured with sub-nanometer accuracy using optical readout with embedded diffraction gratings at each sensor.Designed sensors have the advantage of being passive, i.e electrically and thermally isolated from the readout, such that MEMS and readout mechanism can be separately optimized. High thermal isolation enables the sensor to accumulate significant amount of heat with little loss. The designs are scalable to smaller pitch and higher resolutions. Thanks to the cyclic output of the interferometric readout, the array is immune to saturation effects such as sun blindness, which can occur when a sensor is exposed to high temperature objects.Pixelated 160x120 arrays with 50um sensor pitch are fabricated for 30 frames per second(fps) video applications at leading foundries in USA and Europe, namely Georgia Institute of Technology, Swiss Federal Institute of Technology, and Middle East Technical University, using different material combinations. Real time IR images are successfully acquired with the fabricated sensor arrays through backside laser illumination. The intensity change of the diffracted light is monitored real time with a CCD camera. Characterization results of a sub-optimal array design reveal a Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of ~20K using an 8 bit A/D CCD camera, which matches with the theory for the given experimental conditions, which corresponds to a noise equivalent power (NEP) value of 5 nW/ Hz1/2 and a temperature sensitivity of 20mK on the sensor structure. Theoretical calculations indicate state of the art performance (<100mK NETD) using 12 bit A/D CCD camera for the improved designs.Optical readout provides important advantages; however, some of the important performance limitations are also related to the optical readout. Detailed analysis and demonstrations have been carried out regarding the optical readout aspect of thermal imaging sensor arrays and other grating based sensor applications. A two-wavelength readout method is proposed, which introduces a secondary light source to the optical readout. 40 fold increase in detection range is demonstrated on a single grating based MEMS device. Furthermore large scale parallelization of the proposed two wavelength readout scheme was implemented on a thermal imaging sensor array of approximately 20,000 pixels where > 30% increase in the average sensitivity is demonstrated. Simulations and experiments were conducted to demonstrate and explain the periodic nature of the interference signal envelope at large displacements in a grating based sensor device due to Talbot image formation. Moreover, study and experimental verification of diffraction order fringe visibility for grating based tilted sensors are presented. Analysis of surface reflectivity and grating duty-cycle effect on the diffraction order intensities are provided.