تحلیل پاسخ فرکانسی و آنالیز نویز آشکارساز IR میکروکانتیلیوری فاقد خنک‌ساز با بهینه سازی ضخامت لایه‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده برق

2 دانشگاه علم و صنعت

10.22034/joeds.2024.427036.1034

چکیده

پاسخ فرکانسی و مقدار نویز در آشکارسازهای مادون‌قرمز میکروکانتیلیوری دوماده‌ای فاقد خنک‌ساز بر پایه فناوری میکروماشین‌کاری به ابعاد طراحی و محیط قرارگیری آن‌ها بستگی دارند که با انتخاب مناسب ابعاد می‌توان مقدار آنها را بهبود داد. در این مقاله با بهینه‌سازی ضخامت لایه‌ها، پاسخ آشکارساز آشکارساز IR میکروکانتیلیوری از جنس SiO2/Al بهبود یافت و نتایج تحلیل‌ها نشان داد که ضخامت لایه عایق بایستی دو برابر ضخامت لایه فلز شود. مقادیر نویز و پاسخ فرکانسی تغییرات دما، جابجائی، هدایت حرارتی و حساسیت توانی به ازای تغییر ضخامت لایه‌ها و عرض بازوهای دوماده‌ای و ایزوله در دو محیط فضای آزاد و خلأ محاسبه شده‌اند. نتایج تحلیل‌های عددی نشان می‌دهد که چنانچه عرض و ضخامت لایه عایق بازوها به ترتیبμm 10 و μm1 و ضخامت لایه Al به اندازه نصف ضخامت لایه SiO2 انتخاب شود، مقادیر هدایت حرارتی، ثابت زمانی و تغییر دما، در محیط خلأ نسبت به فضای آزاد به ترتیب ۵/۱۲۸، 1۲۳ و ۱۲۵ برابر کاهش و مقادیر تغییر جابجایی، حساسیت توانی به ترتیب ۷/۱۲۴ و ۶/۱۲۷ برابر افزایش می‌یابند. نتایج تحلیل‌های فرکانسی نیز نشان می‌دهد که در فضای باز، سرعت فیلم‌برداری و دقت عکس‌برداری حرارتی بهبود یافته است ولی در محیط خلأ فقط دقت عکس‌برداری حرارتی آن بهبود یافته است زیرا مقدار ثابت زمانی در خلأ با کاهش هدایت حرارتی افزایش می‌یابد. نتایج تحلیل‌های نویزی نیز نشان می‌دهد که نسبت سینگال به نویز بهبود یافته است و مقادیر نویزهای نوسان دمایی، پس‌زمینه، ترمومکانیکی و نویز معادل در خلأ به ترتیب mK ۳۸/۱ ، mK ۲۴/۱، mK ۳/۲و mK۸۶/۱ کاهش یافته‌اند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Frequency Response and Noise Analyses of Uncooled Microcontroller IR Detector by Optimizing of Layers Thickness

نویسندگان [English]

  • Hassan Abdollahi 1
  • Afsaneh haghnegahdar 2
1 Department of Electrical Engineering
2 IUST, Tehran, Iran
چکیده [English]

The thermomechanical noise and frequency response of uncooled bi-material microcantilever IR detectors based on MEMS technology depends on the dimensions and space environments. In this paper, Analysis of frequency response and noise in the SiO2/Al microcantilever IR detector are presented by changing the thickness of the layers and the width of the bi-material and isolated legs in the vacuum and air space environments. The results of the numerical analysis show that the detector responses are increased by decreasing the thickness of the insulation layer and the width of the legs. If the thickness of the insulation layer and the width of the legs are 10 μm and 1 μm, respectively, and the thickness of the SiO2 layer is twice the thickness of the Al layer, the thermal conductivity and time constant are reduced 128.5 and 123 times, respectively, and the temperature, displacement, power sensitivity increased 125, 124.7, and 127.6 times, respectively, in the vacuum environment compared with the air environment. The results of the frequency analyze show that thermal video frame rate and thermal imaging accuracy increase in the air environment, but thermal imaging accuracy is increases in the vacuum environment, since the time constant increases due to decrease the thermal conductivity in the vacuum environment. The noise analyze results also shows that noise is improved and temperature fluctuation noise, background fluctuation noise, thermomechanical fluctuation noise and total noise equivalent temperature difference in vacuum reduce to 1.38 mK, 1.24 mK, 2.3 mK, and 1.86 mK, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : MEMS
  • Uncooled Infrared Detector؛ Thermal Detector؛ Microcantilever