Optical readout methods for MEMS cantilever based sensors

Optik okuma yöntemleri mikro-elektro-mekanik-sistem (MEMS) tabanlı algılayıcılara uzaktan okuma yöntemi olanağı tanıdığı için önemli ölçüde ilgi görmektedirler. Uzaktan okuma elektriksel bağlantı gerektirmez ve algılayıcı dizinleri için kolaylıkla ölçeklenebilir yapılara olanak tanır. Diğer yandan, optik okuma gürültüsü genellikle algılayıcı uygulamaları için hassasiyeti etkiler. Bu tez kapsamında, MEMS kızılötesi algılayıcılarda ve MEMS osilatörlerde algılama hassasiyetini iyileştirecek ve optik okuma gürültüsünü azaltacak yaklaşımlar sunulmaktadır. MEMS tabanlı, optik okumalı termo-mekanik kızılötesi algılayıcılar düşük maliyetlerinden ötürü ısıl dedektörlerin yaygınlaşabilmesinde önemli bir rol oynayabilirler. Isıl gürültü limitlerinde hassasiyet elde edilebilmesi için, optik okuma gürültüsü önemli oranda azaltılmalıdır. Bu amaçla, ilk olarak tekil bir algılayıcı için algılama hassasiyetini iyileştiren optik okuma yöntemleri sunulmuştur. İkinci olarak algılayıcı dizinleri için tümleşik ve tümleşik olmayan düzenekler geliştirilmiştir. Tekil MEMS kızılötesi algılayıcılar için girişimsel ve hüzme saptırmalı optik okuma yöntemleri incelenmiştir. DC gürültüyü azaltıp, ısıl ve uzamsal değişiklikleri algılama hassasiyetini arttıracak AC bağlaştırıcı okuma yöntemleri geliştirilmiş ve 35 µm boyutundaki MEMS algılayıcılar için detaylı bir gürültü analizleri yapılmıştır. Ayrıca, Fabry-Perot boşluğuna sahip bir MEMS algılayıcı için tasarım ve üretimler gerçekleştirilmiştir. Son olarak, prizma tabanlı bir optik okuma sistemi önerilerek MEMS algılayıcılar için uygulanmıştır. Çeşitli algılayıcı modelleri için gürültü eşlenikli sıcaklık farkı (NETD) 200 mK altında ölçülmüş, en iyi performans 150 mK olarak belirlenmiştir. Termo-mekanik prensiple çalışan algılayıcı dizinlerinin performanslarını iyileştirmek için iki ayrı yöntem geliştirilmiştir: i-) Fourier filtreleme temelli kompakt düzenek. Bu düzenekte, yakınsak aydınlatma kullanılarak düzenek küçültülmüş ve sistemin SNR oranı 4f optik sisteme kıyasla iyileştirilmiştir. ii-) 2-dalgaboylu optik okuma düzeneği. 2- dalgaboylu okuma düzeneğinde ise iki ayrı dalgaboyundaki ışık tek bir RGB kameranın iki ayrı kanalında eş zamanlı olarak aynı MEMS algılayıcıyı oluşturur. Bu düzenek bir biçimli olmayan algılayıcı dizinlerinde hassasiyetin ve dinamik aralığın arttırılmasını sağlamıştır. MEMS örneklerin CMOS elektroniğiyle tümleştirilmesi büyük dizin yapılarının ucuz ve küçük bir paket içerisinde operasyonunu mümkün kılar. Bu tez kapsamında, çok sayıda elemana sahip (64x64) MEMS tabanlı bir algılayıcı dizini, ilk defa çip seviyesinde bir CMOS okuma devresiyle birleştirilmiştir. Dizindeki her eleman, CMOS devresi silikon alt taşına açılmış delikler kullanılarak aydınlatılmıştır. Kırınım ızgaralı yapıların olduğu MEMS algılayıcılarla girişimsel bir optik okuma gerçekleştirilmiş, dedektörlerden yansıyan ışıklar CMOS devresi üzerindeki fotodedektör dizinlerine yönlendirilmiştir. Son olarak biyolojik veya kimyasal algılayıcılarda kullanılan dinamik MEMS çubuk dizinleri için iki lineer olmayan optik okuma düzeneği geliştirilmiştir. Küçük bir paket halindeki fazla elemanlı MEMS çubuk yapılarını görüntüleyebilmek için tekil bir kontrol yapısının kullanılabilmesi arzu edilen bir durumdur. Bu da her algılayıcı için ayrı satürasyon mekanizmasını gerektirmektedir. Bu noktada, tek bir kontrol yapısıyla dizinleri hareket ettirip görüntüleyebilmek adına lineer olmayan optik okuma düzenekleri kullanılmıştır. İlk yöntemde kırınım ızgaralı çubuklar girişimsel bir okumayı mümkün kılmış ve çoklu salınım için dizinlerin paralel çalışmasını sağlamıştır. İkinci yöntemde ise prizma tabanlı bir optik düzenek basit çubuk yapılar için önerilmiştir. Her iki yöntem de iki eş çubuğun tek bir sürücü ve tek bir dedektör kullanılarak ayrı ayrı salınmalarını sağlamıştır.