Microbolometer 설계동향 라온피플 2011. 8 2011-08-10 1
Introduction Bolometer A device for measuring the power of incident electromagnetic radiation via the heating of a material with a temperature-dependent electrical resistance. 즉, 온도변화에따라서저항이변하는성질을갖는물질을이용해서, 입사전자기파의파워, 즉온도를측정할수있는장치를말함. 1878 년미국인천문학자 Samuel Pierpont Langley 가개발. 그리스어 bole 에서왔으며, 광선의형태로입사하는어떤것 의의미. 동작원리 Bolometer 는입사하는 IR 을잘흡수할수있는물질이도포된얇은흡수판이일정한온도를유지하는 heat sink 에 thermal link 를통해서연결이되며, 입사하는에너지가크면클수록더잘흡수해서온도가 heat sink 보다올라가게됨. 흡수판고유의 thermal time constant 에따라반응속도가달라지며, thermal time constant 는흡수판의 thermal capacity 와흡수판과 heat sink 사이의 thermal conductance 의비로결정이됨. 온도의변화는연결된 resistive thermometer 로바로측정하거나, 흡수판의저항변화를 thermometer 로이용할수있다. 2
Introduction IR 에의한온도변화를측정할수있는방법 Thermoelectric Pyroelectric Ferroelectric Resistive Others IR bolometer Uncooled IR 기술관점에서, IR bolometer 는주로온도변화에따라저항값이이변하는것을측정하는 resistive microbolometer 를가리키는용어로사용이됨. 많은 resistive microbolometer 가 1947~1980 년사이에발표가되었음. 최초의얇은 film 형태의 microbolometer 는 1982 년에발표가됨. Uncooled IR microbolometer 와 FPA(focal plane array) 는 Honeywell 에서 80 년대후반부터발표. 3
IR Radiation IR Radiation IR은가시광선보다파장이길며, 0.75um ~ 1000um의파장범위. 대기중에서 IR 전송이가능한범위 MWIR(middle wavelength IR) : 3~5um LWIR(long wavelength IR) : 8~14um 4
Microbolometer 대부분의 microbolometer 는 8~14um 파장대의 IR 영역에최적화되어있지만, 일부는 3~5um 에최적화한경우도있음. 보통물체 ( 대상 ) 의온도가 1K 오르면, bolometer 의흡수판의온도는대략 4mK 정도오름. Microbolometer 의주요성능지수 NETD(noise equivalent temperature difference) SNR 이 1 인온도변화 Responsivity 각픽셀에입사하는 radiant power 당출력신호전압또는전류값 NEP(noise equivalent power) 신호의출력과 RMS noise 출력을같게만드는입사 radiant power Detectivity 단위 RMS 입사파워, 제곱근면적당 RMS SNR 5
Focal Plane Array FPA 의구조 FPA + IR 렌즈 6
Bolometer Design Bolometer 설계에있어중요한변수 Bolometer 와주변환경과낮은 thermal conductance. 각픽셀의다리 (leg) 을길게하거나, 단면적을얇게. 진공패키지를사용. IR radiation 을잘흡수 (fill factor). 기존 single-layer bolometer 의 fill factor : 60~70% Fill factor 향상을위해 two-layer(umbrella) 를채용하면, fill factor 가 90% 까지증가. 반사를고려하여, 양쪽판사이의빈공간의길이를파장의 ¼ 크기로맞춤. 높은 TCR(temperature coefficient of resistance) 와낮은 1/f 잡음성질을갖는온도감지물질. 작은픽셀크기. Two-layer 사용시 leg 등이아래단에위치하여면적을줄일수있음. 7
Bolometer Design 일반적인 single-layer bolometer cell 구조 two-layer bolometer cell 구조 8
Bolometer Design Cross-sectional image of two bolometer designs with resonant optical cavities for high absorption of the incident radiation 9
FPA 제조기술 Monolithic integration ROIC 를먼저만들고, 그위에 bolometer 셀제조공정을진행 모든상용화되어있는 vanadium oxide 및 amorphous silicon bolometer 는이런방식으로만듬. 장점 : 가격면에서효율적이고, 반도체공정이잘정립되어있음. 단점 : 온도감지물질이 450 도정도로제한이있고, monocrystalline 물질은 deposition 이안됨 10
FPA 제조기술 (2) Bulk micromachining Bolometer 를웨이퍼의 substrate 위에만들어, bolometer 와 ROIC 가나란하게위치됨. Bolometer 밑부분의 substrate 만선택적으로 etching 을해서 bolometer 를 substrate 에서떨어지게만듬. 장점 : 로직과 bolometer 를같은 CMOS 공정으로만듬. 단점 : 로직이셀옆에위치하기때문에 fill factor 가낮음. 11
FPA 제조기술 (3) Heterogeneous 3D bolometer integration ROIC 위에고성능 mono-crystalline 온도감지물질을올리기위해개발됨. Bolometer 물질은 handle wafer 위에올리고, 저온 adhesive wafer bonding 을통해 bolometer 물질을 handle wafer 에서 ROIC wafer 로이동. 위과정을통해 ROIC 위에 mono-crystalline bolometer 를올릴수있게됨. 12
Temperature Sensing Material 좋은온도감지물질의성질 높은 TCR(temperature coefficient of resistance). 낮은 1/f 잡음. ROIC 와잘 integration 되어야함. 일반적인온도감지물질 Vanadium oxide (VOx). Amorphous silicon (α-si). Silicon diode. 1/f noise NETD 는대부분 1/f noise 에의해서결정이됨. 물질에따라크게변하며, 화합물의구성이조금만바뀌어도크게변할수있음. Mono-crystalline 이 amorphous 나 poly-crystalline 에비해서 1/f 잡음값이작음. 하지만 ( 앞서살핀것처럼 ) 반도체공정의어려움이있음. 13
진공패키지 패키지조건 진공 열전도로인한 heat loss 를줄이기위해 IR 을잘투과시킬수있는 IR window 낮은가격 가장일반적인패키지형태 IR window 를갖는 metal 또는 ceramic 패키지 Wafer-level 패키지 최근저가를구현할수있는기술이많이개발됨. 카메라 housing 에바로 integration 이되도록해줌. 14
상용 Bolometer 15
상용 Bolometer 16
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