Tez No İndirme Tez Künye Durumu
119467 Bu tezin, veri tabanı üzerinden yayınlanma izni bulunmamaktadır. Yayınlanma izni olmayan tezlerin basılı kopyalarına Üniversite kütüphaneniz aracılığıyla (TÜBESS üzerinden) erişebilirsiniz.
A CMOS compatible uncooled infrared detector focal plane array for night vision applications using MEMS technology / Gece görüş uygulamaları için MEMS teknolojisi kullanarak üretilen CMOS uyumlu soğutmasız kızılötesi dedektör odak düzlem matrisi
Yazar:DENİZ SABUNCUOĞLU TEZCAN
Danışman: DOÇ.DR. TAYFUN AKIN
Yer Bilgisi: Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Konu:Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin:CMOS = CMOS ; Kızılötesi algılayıcılar = Infrared sensors ; Mikrobolometre = Microbolometer
Onaylandı
Doktora
İngilizce
2002
151 s.
. a oz.. GECE GORUŞ UYGULAMALARI İÇİN MEMS TEKNOLOJİSİ KULLANARAK ÜRETİLEN CMOS UYUMLU SOĞUTMASIZ KIZILÖTESİ DEDEKTÖR ODAK DÜZLEM MATRİSİ Sabuncuoğlu Tezcan, Deniz Doktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Tayfun Akın Eylül 2002, 151 sayfa Bu tezde, gece görüş uygulamaları için, endüstriyel CMOS üretim süreci kullanılarak gerçeklenen çok ucuz bir soğutmasız kızılötesi dedektör ve 16x16 prototip odak düzlem matrisinin geliştirilmesi anlatılmaktadır. Üretilen dedektör, kızılötesine duyarlı madde olarak CMOS n-kuyu tabakasını kullanır. Dedektörün üzerine düşen kızılötesi ışınım n-kuyu tabakasını ısıtarak direncini artırır. CMOS n-kuyu tabakasının 0.5-0.7 %/K civarında olan ısıl direnç katsayısı günümüzün gelişmiş özel mikrobolometre maddelerininkine oranla daha düşüktür, ancak CMOS n-kuyu tabakasının düzgün kristal yapısı nedeniyle ihmal edilebilir seviyede l/f gürültüsü vardır. N-kuyu tabakasının altı, CMOS üretim sürecinde üretilip gelmiş olan ciplerin TMAH içinde ön yüzeylerinden n-kuyu tabakasının aşınmasını önlemekiçin elektrokimyasal asindirma-durdurma tekniği kullanılarak aşındırılır. Bu yöntem herhangi bir litografi veya egzotik madde serimi gerektirmediğinden, dedektörün maliyeti çok düşük neredeyse CMOS çip maliyetine eşit olmaktadır. Farklı boyutlarda ve kollarda farklı bağlantı maddeleri kullanarak, çeşitli tek piksel n-kuyu mikrobolometreler standart 0.8um CMOS n-kuyu üretim sürecinde üretildi. Dedektör yapılan CoventorWare ve ANSYS gibi çeşitli FEM simulasyon programları kullanılarak optimize edildi. CMOS sonrası üretim süreci, n-kuyu mikrobolometrelerin gerçeklenebilmesi için optimize edildi. Üretilen dedektörlerin çalıştığım göstermek ve performanslarım ölçmek için ısıl iletkenlik, gürültü, cevaplılık ve izgel emicilik ölçümlerini de içeren pek çok karakterizasyon yapıldı. Odak düzlem matrisi için bu yaklaşımda en uygun piksel, kollarında polisilisyum bağlantı maddesi bulunan 80umx 80um piksel alana, 13 % etkin alan oranına, 10 kQ elektriksel dirence, 0.33 %/K ısıl direnç katsayısına, 0.62x1 0"6 W/K ısıl iletkenliğe, 14.3 msec ısıl zaman sabitine ve 75 % ısıl emiciliğe sahip piksel yapısıdır. Bu piksel yapısı, 2.5 V'da, 104V/W cevaplılık ve 2.2x1 09 cmHz1/2/W dedektivite sağlayabilir. Ayrıca bu piksel yapısı kullanılarak ve basit, tamamen seri bir okuma devresi ile gerçeklenen 16 x 16 prototip n-kuyu mikrobolometre dizini saniyede 30 görüntü hızında 230 mK gürültüye eşit sıcaklık farkı (NETD) sağlayabilir. CMOS n-kuyu mikrobolometre performansının, daha ileri CMOS teknolojileri ve farklı CMOS sonrası üretim süreçleri kullanılarak elde edilebilecek, daha iyi piksel yapılan ve gelişmiş okuma devreleri ile artırılabileceği düşünüldüğünde, CMOS n-kuyu mikrobolometre yaklaşımı, makul performansa sahip çok düşük maliyetli soğutmasız kızılötesi dedektör dizinleri üretmek için uygun bir yöntemdir. Anahtar Kelimeler: Soğutmasız kızılötesi dedektörler, mikrobolometreler, düşük maliyetli gece görüş dedektörleri, CMOS kızılötesi dedektörler. vı T.CY©ESH£6ftR£TIM KUEDL0
ABSTRACT A CMOS COMPATIBLE UNCOOLED INFRARED DETECTOR FOCAL PLANE ARRAY FOR NIGHT VISION APPLICATIONS USING MEMS TECHNOLOGY Sabuncuoğlu Tezcan, Deniz Ph.D., Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Tayfun Akın September 2002, 151 pages This thesis reports the development of a very low-cost uncooled infrared detector and a prototype 16x16 focal plane array (FPA) using a commercial CMOS process for night vision applications. The fabricated detector uses the CMOS n-well layer as the infrared sensitive material, where the n-well resistance increases with the increasing temperature due to the incident infrared radiation. The CMOS n-well has a temperature coefficient of resistance (TCR) of 0.5-0.7 %/K, relatively low compared to state-of-the-art microbolometer materials, however it has negligible 1/f noise due to its single crystal structure. The n-well layer is suspended by front-end bulk etching of the fabricated CMOS chips, while the n-well region is protected from etching by electrochemical etch-stop technique in TMAH. Since this approach does 111not require any lithography or exotic material deposition, the detector cost is very low, almost equal to the cost of the CMOS chip. Various single pixel n-well microbolometers have been implemented with different pixel sizes and different interconnect layers in a standard 0.8um n-well CMOS process. The detector structures are optimized using various FEM simulation programs, including CoventorWare and ANSYS. The post-CMOS process is also optimized for the realization of n-well microbolometers. Many characterizations and tests are performed including the thermal conductance, noise, responsivity, and spectral absorptance measurements on the realized detectors to show their functionality and performance. The optimum pixel for a focal plane array (FPA) implementation in this approach has a 80um x 80pm pixel size, 13 % fill factor, 10 kD, resistance, 0.33 %/K TCR, 0.62xl0"6 W/K thermal conductance, 14.3 msec thermal time constant, and 75 % absorptance. This pixel provides a responsivity of 104 WW and a detectivity of 2.2x1 09 cmHzI/2/W at 2.5 V bias voltage. A 16x16 prototype n-well microbolometer array implemented with this optimized pixel and a simple fully serial readout scheme can provide a noise equivalent temperature difference (NETD) of 230 mK at 30 Hz frame rate. The CMOS n-well microbolometer performance can be increased significantly by using advanced readout techniques and improved pixel structures, which can be obtained with finer CMOS technologies and different post-CMOS processing approaches. Therefore, the CMOS n-well microbolometer technique is a promising approach to implement very low-cost uncooled infrared detector arrays with reasonable performance. Keywords: Uncooled infrared detectors, microbolometers, low-cost infrared detectors, CMOS infrared detectors. IV