Zifir-altın kaplamalı soğutmasız bolometrelerin optik modellenmesi
Optical modelling of black-gold coated uncooled bolometers
Yazar: ZEYNEP ÇİĞDEM TOĞRUL
Danışman: PROF. DR. ÇİĞDEM SEÇKİN GÜREL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Mikrobolometre = Microbolometer

Özet:
Mikrobolometre temelli soğutmasız kızılötesi kameralar endüstride, sivil ve askeri uygulamalarda her geçen gün daha çok kullanılmaya başlanmaktadır. Algılayıcılık değerlerinin yükselmesi ile bu kameralar, bakımı ve kullanımı çok zor, aynı zamanda da maliyeti oldukça yüksek olan soğutmalı kameraların yerini almaya başlamıştır. Soğutmasız kameraların pazar payı her geçen gün büyüdüğünden mikrobolometre teknolojisine gösterilen ilgi de artmaktadır. Bu ilginin temel hedefi üretim maliyetlerini düşürmektir. Maliyeti azaltmak için ise CMOS işlemler ile üretilebilen hidrojenize edilmiş amorf silikon (a-Si:H) teknolojisine dayanan algılayıcı tabakalar kullanılmaktadır. Ancak bu materyalin düşük kızılötesi emiciliğe sahip olması ek bir emici tabaka kullanımını gerektirmektedir. Literatürde var olan yapılarda CMOS işleme uygun emici tabaka olarak silisyum dioksit ve silisyum nitrür gibi materyaller kullanılmaktadır. 
Bu tez çalışmasında ise a-Si:H algılayıcı katman üzerine hem orta hem de uzun kızılötesi bandında emiciliği çok yüksek olan zifir-altın kaplamanın uygulanabilirliği değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmeyi yapabilmek için mikrobolometrenin tüm katmanlarının optik modellemeleri elde edilmiştir. Ek olarak elde edilen bu model aracılığıyla çok katmanlı bir mikrobolometrenin istenilen bantta kızılötesi emiciliği hesaplanmıştır. Mikrobolometrenin algılayıcılık ve ısıl zaman sabiti gibi performans parametrelerinin ölçümü için sanal bir test ortamı kurulmuştur. Bu sanal test ortamında a-Si:H üzerine zifir-altın, silisyum dioksit, silisyum dioksit ve silisyum nitrür ikilisi gibi emici tabakalar kaplanarak karşılaştırmalı testler yapılmıştır. Bu çalışmada saniyede 30 kare yakalayacak hıza sahip bir tasarımda zifir-altın kaplamalı mikrobolometre yapısının parametreleri belirlenmiştir. Çalışma sonucunda ise zifir-altın kaplamanın diğer kaplamalardan 5 kat daha yüksek algılayıcılık değerlerine sahip olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
Microbolometer based uncooled infrared cameras have been used mostly in industrial, civilian and military applications. With the increase in detectivity values, these cameras have begun to take the place of cooled cameras, which are very difficult to maintain and use, and at the same time very expensive. As market share of uncooled cameras grows day by day, interest shown in microbolometer technology is also increasing. The main objective of this interest is to reduce production costs. In order to reduce the cost, sensor layers based on hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) technology which can be produced by CMOS processes are used. However, this material requires the use of an additional absorber layer due to its low infrared absorbance. Materials such as silicon dioxide and silicon nitrure are used as the absorber layer which are also suitable with CMOS process, in existing structures in the market. 
In this thesis, applicability of gold-black coating providing very high absorption on both the medium and far infrared bands, on the a-Si:H sensing layer is evaluated. In order to make this evaluation, optical models of all layers of microbolometer have been obtained. In addition to that, infrared absorbance of a multilayered microbolometer in the desired band was also calculated by obtained model. A virtual test environment has been established for the measurement of performance parameters such as detectivity and thermal time constant. In this virtual test environment, gold-black, silicon dioxide, silicon dioxide and silicon nitrure absorbing layers were coated on a-Si:H and comparative tests were carried out. As a result of this study, it has been shown that the designed gold-black coated microbolometer structure has a detectivity of 5 times higher than other coatings in a design with a speed of 30 frame per second.