Design and fabrication of thermo-mechanical thermal detector arrays with optical readout

Abstract

Yüksek Lisans Tez Özet FormuÖ rencinin Adı : Hamdi TorunAna Bilim Dalı : Elektrik ve Bilgisayar Müh. Yüksek LisansTez Ba lı ı : Optik Okumalı Termo-Mekanik Termal Detektör DizinTasarımı ve FabrikasyonuÖzetKızılötesi görüntüleme teknolojisinin uygulama alanları çok geni tir. Askeri uygulamalar,otomotiv endüstrisi, tıbbi görüntüleme, güvenlik uygulamaları, arama-kurtarma çalı maları,endüstriyel test ve jeo-termal olay tespiti ile çevre kontrolü belli ba lı uygulama alanlarıolarak sayılabilir.Bu tezde; optik okumalı, opto-mekanik tipi so utmasız kızılötesi detektör dizini tasarımve üretim çalı maları sunulmaktadır. Detektörler için hesaplanan NETD (Gürültü E lenikliSıcaklık Farkı) 10 mK'den daha küçüktür (60 Hz'de okunan 50 m'lik pikseller için ve f/1kızılötesi lens ile birlikte). Bu performans seviyesi, en geli mi so utmasız mikrobolometretipi detektörlerle elde edilecek performanstan çok daha ileride olup; en geli mi so utmalıkızılötesi detektör dizinleri-ki bunlar so utmasız detektörlere göre çok daha karma ık vepahalıdırlar-ile elde edilecek performansla kar ıla tırılabilir durumdadır. Piksellere entegreedilmi da ıtma ızgarası (diffraction grating) tabanlı optik okuma ve piksel seviyesindeokuma elektroni i gereksinimini ortadan kaldıran MEMS tarayıcı sayesinde; önerilenkonfigürasyon yüksek performansının yanı sıra yüksek çözünürlükte detektör diziniolu turmaya da uygundur.Detektör pikselleri çift-katlı bacaklara ba lı küçük zarlardan olu maktadır. Zarları tutançift-katlı bacaklar, termal yalıtım bacakları ile substrata ba lanmı tır. Emilen kızılötesiı ınların sıcaklık farkına çevrilmesi, çift-katlı bacaklarda bükülmeye yol açar. Bu bükülme herpikselin altına yerle tirilen da ıtma ızgaralarıyla optik olarak nanometre-altı hassasiyetleölçülmektedir. Sabit da ıtma ızgaralarıyla hareketli piksel zarları giri im-ölçerolu turmaktadır. Giri im-ölçer sayesinde okuma gürültüsü; okuma için gerekli ı ık kayna ınınShot-gürültü seviyesine indirilebilmektedir. Dolayısıyla okuma gürültüsünün toplamgürültüye katkısı ihmal edilebilir.Tasarım prototipleri olarak, 3 x 3 formatında detektör dizinleri Georgia Institute ofTechnology, Atlanta-USA bünyesindeki Microelectronics Research Center (MIRC) isimlimerkezde üretilmi tir. Kuvars plaka üzerine Silikon Nitrat, Alüminyum ve Krommateryallerini büyütme ve a ındırma adımlarını içeren mikrofabrikasyon, 4-lithografimaskesine gereksinim duymakta olup, dü ük sıcaklıklarda tamamlanabilmektedir (<250ºC).Anahtar Kelimeler: Kızılötesi görüntüleme, termal görüntü sensörleri, kızılötesi emici, çift -katlı kaldıraçlar, termal bükülme, da ıtma ızgarası, giri im ölçer, mikro tarayıcılar, MEMS,mikrofabrikasyon.Danı man: Hakan Ürey Tarih: 11/08/2005Enstitü Müdürü: Tarih:

M.S. Thesis Abstract Form: Hamdi TorunName of the Student: Ms in Electrical and Computer EngineeringProgram of Study: Design and Fabrication of Thermo-MechanicalThesis TitleThermal Detector Arrays with Optical ReadoutAbstractInfrared (IR) imaging technology has found many important application areas such asmilitary, automobile heads-up-displays (HUD), medical diagnostics, surveillance forsecurity, victim search for rescue teams, non-destructive testing for industrialapplications, and geo-thermal event detection for environmental control.In this thesis, design and realization of an uncooled opto-mechanical IR detectorwith optical readout is presented. It is shown that our calculated noise equivalenttemperature difference (NETD) is <10 mK including the readout noise sources (assuming50um pixels, f/1 optics and 60Hz frame rate). This performance level is far superior tothe other current state-of-the-art uncooled microbolometer-based detector arrays and iscomparable to that of the best cooled IR detector arrays, which are far more complicatedand expensive compared to the uncooled counterparts. In addition to the high-performance, the architecture proposed is scalable to high-resolutions as the pixel readoutis based on an integrated diffraction grating and the pixelated readout electronics iscompletely eliminated by the use of MEMS scanners for the serial pixel readout.The detector pixels are tiny membranes that are connected to bimaterial legs, whichare connected to a substrate through thermal isolation legs. The conversion of IRradiation into temperature difference causes deflection along bimaterial legs. Themechanical deflection is detected optically with sub-nm accuracy using diffractiongratings placed underneath each pixel. Fixed diffraction gratings and the movable pixelmembrane form an interferometer. This type of interferometric readout offers operation atdetector shot-noise limit using a coherent light source, thus the contribution of thereadout noise to the overall system noise level is negligible. Another important advantageof the optical readout is that electrical conductive paths that increase the thermalconduction are not needed. Thus higher sensitivity compared to microbolometers andsome of the cooled detectors can be obtained.As the design prototypes, different design variations for single pixels and small arraysof 3 x 3 pixels were fabricated. The microfabrication was done at MicroelectronicsResearch Center (MIRC), Georgia Institute of Technology, Atlanta-USA. Themicrofabrication requires 4-lithography masks and uses the following standard ICmaterials: Silicon Nitride, Aluminum, and Chromium on top of Quartz substrate and islimited to low temperature processes that are below 250 ºC.Keywords: Infrared imaging, thermal image sensors, infrared absorber, bimaterialcantilevers, thermal deformation, diffraction grating, interferometer, microscanners,MEMS, microfabrication.Advisor: Hakan Ürey Date: 08/11/2005Director: Date: