Microbolómetros para la Detección de Radiación Infrarroja Lejana

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En esta tesis presento los trabajos que llevé a cabo en el marco del pro- yecto de desarrollo de un arreglo de microbolómetros para la detección de radiación infrarroja lejana, basados en una tecnología innovadora funda- mentada en expansión térmica y debilitamiento estructural localizado, que...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Ogando, Karim
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2009
Materias:
Nanotecnología
Física
Microbolometers
Microbolómetros
Micromaquinado
Detección de desplazamientos
Far Infrared radiation
Radiación infrarroja lejana
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/95/1/1Ogando.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description En esta tesis presento los trabajos que llevé a cabo en el marco del pro- yecto de desarrollo de un arreglo de microbolómetros para la detección de radiación infrarroja lejana, basados en una tecnología innovadora funda- mentada en expansión térmica y debilitamiento estructural localizado, que se está ejecutando en el Laboratorio de Bajas Temperaturas del CAB. A partir de la división natural del proceso de detección se distinguen tres áreas de desarrollo: Absorción de la radiación IR y conversión en un cambio de temperatura en el sensor; Deformación del dispositivo debida a la expansión térmica; y transducción de las deformaciones en una señal eléctrica. En el área de absorción, llevé a cabo un análisis teórico de las alternati- vas publicadas en la bibliografía. Evalúe la posible utilización de métodos clásicos como el Black Gold y los resonadores de película ultradelgada, des- cartádolos por su falta de repetibilidad. Propuse la utilización de superficies de absorción selectiva a la frecuencia basadas en películas delgadas micro- estructuradas, demostrando la viabilidad de su fabricación por técnicas de micromaquinado mediante cálculos aproximados. En el área de la dinámica termo-mecánica y el proceso de fabricación tra- bajé en dos líneas de desarrollo paralelas: una primera generación (G0) de sensores fabricada en poli-silicio mediante el proceso comercial PolyMUM- Ps; y una nueva generación de dispositivos (G1) a ser fabricada en el labora- torio mediante un proceso basado en el litografiado de polímeros sensibles al UV. Caracterizé los sensores G0 por su respuesta térmica y mecánica. Veri- fiqué y caractericé los resultados de la fabricación mediante microscopía y perfilometría óptica. Estudié la dinámica termo-mecánica de los sensores mediante mediciones ópticas de la deformación debida a calentamiento por efecto Joule, tanto en una atmósfera de aire como en vacío. Efectúe análisis de sensibilidad, repetibilidad, límite elástico y sensibilidad a la presión de la respuesta de los dispositivos. Para complementar los resultados experimen- tales, llevé a cabo simulaciones numéricas de elementos finitos mediante el software especializado CoventorWare, cuyos resultados permitieron expli- car algunos fenómenos observados. En la otra línea de trabajo, las actividades que realicé estuvieron cen- tradas en el diseño y desarrollo del proceso de fabricación de los nuevos dispositivos. Para distinos polímeros, caractericé las propiedades ópticas en el rango visible y en el infrarrojo, y avancé en la determinación de las cur- vas de contraste. En la parte de diseño, ideé nuevos modelos y variaciones de los sensores que permitieran estudiar en más detalle la dinámica termo- mecánica, y dibujé las máscaras de litografía necesarias para su fabricación. En el área de medición de las deformaciones, trabajé en la evaluación de la posibilidad de detectarlas ópticamente. Estudié los distintos métodos de detección de desplazamientos basados en técnicas ópticas, tales como Laser Beam Deflection e interferometría y las aplicaciones a dispositivos microma- quinados presentados en la bibliografía. Propuse modos de implementación compatibles con las dimensiones y los procesos de fabricación de nuestros dispositivos, tanto para la variante simétrica como para la asimétrica de los sensores. Finalmente, realicé un análisis económico-comercial, y lo presenté en for- ma de un plan de negocios. El plan de negocios proponía, a modo de ejer- cicio académico, la creación de una empresa desprendida del laboratorio para la fabricación y comercialización de los detectores una vez finalizado el desarrollo en curso.
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En el área de absorción, llevé a cabo un análisis teórico de las alternati- vas publicadas en la bibliografía. Evalúe la posible utilización de métodos clásicos como el Black Gold y los resonadores de película ultradelgada, des- cartádolos por su falta de repetibilidad. Propuse la utilización de superficies de absorción selectiva a la frecuencia basadas en películas delgadas micro- estructuradas, demostrando la viabilidad de su fabricación por técnicas de micromaquinado mediante cálculos aproximados. En el área de la dinámica termo-mecánica y el proceso de fabricación tra- bajé en dos líneas de desarrollo paralelas: una primera generación (G0) de sensores fabricada en poli-silicio mediante el proceso comercial PolyMUM- Ps; y una nueva generación de dispositivos (G1) a ser fabricada en el labora- torio mediante un proceso basado en el litografiado de polímeros sensibles al UV. Caracterizé los sensores G0 por su respuesta térmica y mecánica. Veri- fiqué y caractericé los resultados de la fabricación mediante microscopía y perfilometría óptica. Estudié la dinámica termo-mecánica de los sensores mediante mediciones ópticas de la deformación debida a calentamiento por efecto Joule, tanto en una atmósfera de aire como en vacío. Efectúe análisis de sensibilidad, repetibilidad, límite elástico y sensibilidad a la presión de la respuesta de los dispositivos. Para complementar los resultados experimen- tales, llevé a cabo simulaciones numéricas de elementos finitos mediante el software especializado CoventorWare, cuyos resultados permitieron expli- car algunos fenómenos observados. En la otra línea de trabajo, las actividades que realicé estuvieron cen- tradas en el diseño y desarrollo del proceso de fabricación de los nuevos dispositivos. Para distinos polímeros, caractericé las propiedades ópticas en el rango visible y en el infrarrojo, y avancé en la determinación de las cur- vas de contraste. En la parte de diseño, ideé nuevos modelos y variaciones de los sensores que permitieran estudiar en más detalle la dinámica termo- mecánica, y dibujé las máscaras de litografía necesarias para su fabricación. En el área de medición de las deformaciones, trabajé en la evaluación de la posibilidad de detectarlas ópticamente. Estudié los distintos métodos de detección de desplazamientos basados en técnicas ópticas, tales como Laser Beam Deflection e interferometría y las aplicaciones a dispositivos microma- quinados presentados en la bibliografía. Propuse modos de implementación compatibles con las dimensiones y los procesos de fabricación de nuestros dispositivos, tanto para la variante simétrica como para la asimétrica de los sensores. Finalmente, realicé un análisis económico-comercial, y lo presenté en for- ma de un plan de negocios. El plan de negocios proponía, a modo de ejer- cicio académico, la creación de una empresa desprendida del laboratorio para la fabricación y comercialización de los detectores una vez finalizado el desarrollo en curso. In this work we present the results obtained in the framework of the project dedicated to the desing of an array of microbolometers for detection of far infrared radiation in the Laboratory of Low Temperatures of the CAB. The sensors are based in a novel technology based on thermal expansion and localized weakness of the structure. In the detection process of far infrared radiation using our technology we can distinguish three topics to develop: Absorption of de infrared radiation and conversion in a change of the sensor’s temperature; Deformation of the device due thermal expansion; and transduction of the deformations in a electric signal. On the topic of absorption, we have analiced theoretically the alternati- ves published on the bibliography. We evaluated the posibility of the utili- zation of clasic techniques of absorption like Black gold films and ultrathin films resonators, and we disregard them because their low yield. We propo- sed to use frecuency selective surfaces, based on microstructured thin films, showing the fabrication viability using micromachining techniques by ap- proximated calculations. On the topic of the thermomechanical dynamics and the fabrication pro- cess we worked on two paralell research lines: a first generation (G0) of sensors of polysilicon fabricated using the PolyMUMPs comercial process; and a new generation (G1) to be fabricated on the laboratory with a process based on litographic paterning of UV sensitive polymers. The G0 sensor’s characterization, was of geometrical and thermomecha- nical kind. We verified and characterized the fabrication result through op- tical microscopy an perfilometry. We studied the sensor’s thermomechani- cal dynamics through optical measurements of the deformations caused by Joule’s heating, both on air atmosphere and vacuum. We made analysis of sensibility, repetibility, elastic limit and pressure sensibility of the respon- se of the devices. Complementarily, we ran numerical simulations through finite elements techniques using the especialiced software CoventorWare, whose results helped to interpet some observed phenomena. On the other work line, the activity was centered on the design and de- velpment of the fabrication process of the new devices. For different poly- mers, we characterizated the optical properties on the infrared and visible spectrum, and we worked on the determination of the contrast curves. On the design topic, we ideated new models and variations of the sensors for the study of the thermomechanical dynamic, and we design the litographic masks for their fabrication. On the topic of deformation measurement , we evaluated the posibility of optical detection. We studied the different displacement detection met- hods based on optical techniques, like laser beam deflection and interfero- metry, and the aplications to micromachined devices published on biblio- graphy. We proposed implementation’s modes compatible with the charac- teristic dimensions and fabrication process of our devices, for both the si- metric variant and the asimetric variant. Finally, we performed an economical and comercial analisis, and we pre- sented it as a business plan. The business plan proposed, as an academic practice, the creation of a company spinned off the laboratory in order to fabricate and comercializate the detectors after completion of the develop- ment ongoing. 2009-12-17 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/95/1/1Ogando.pdf es Ogando, Karim (2009) Microbolómetros para la Detección de Radiación Infrarroja Lejana / Microbolometers for far infrared radiation detection. Maestría en Ciencias Físicas, Instituto Balseiro, Bajas Temperaturas. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/95/

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