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

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.