In this thesis, a capacitive infrared detector using bimaterial effect has been investigated. Comparing with the conventional microbolometers, it has superior characteristics of low noise, and high sensitivity, resulting in very low NETD.
The detector is consisted of three parts: infrared detector (sensitive layer), bimaterial legs and bottom electrodes. Absorber has insulator-metal-insulator structure ($SiO_2-Ti-SiO_2$), and Ti acts as a top electrode of a variable capacitor composed of two bottom electrodes and top electrode (infrared absorber) which is separated electrically and mechanically from the substrate. Bimaterial legs are composed of $SiO_2$ and AL, and post the absorber to the substrate. They are designed to have electrical insulation, low thermal conductance and temperature dependent deformation characteristics. Heat energy from the absorbed infrared rays is transferred to the bimaterial legs, resulting in leg bending. At the same time, top floating electorode (Ti) is also lifted like the legs, and capacitance change of the variable capacitor will be read to detect infrared.
The device is designed to have bimaterial leg bending rate of 0.187μm/K, and capacitance change rate of 15.4%/K (with in 5℃ of temperature change). This capacitance change rate (TCC) is 3 to 6 times greater than the TCR of amorphous silicon or vanadium oxide microbolometers. Calculated NETD of 21.2mK indicates the superior performance of the device.
Fabricated device showed the bimaterial leg bending rate of 0.22μm/K, and capacitance change rate of 11.2%/K which are quite closed to the values we expected.
새로운 캐패시턴스 리딩 방법을 가지는 캐패시터형의 비냉각식 적외선 소자에 대해 연구하였다. 본 구조는 크게 적외선 흡수체와 바이머티리얼 다리의 두 부분으로 나뉘어진다. 절연체-금속-절연체의 구조로 이루어진 적외선 흡수체는 두 개의 바닥 전극과 함께 기판으로부터 전기적으로 절연된 상부 전극(적외선 흡수체)으로 이루어진 가변 캐패시터를 형성한다.
적외선 흡수체의 구조는 SiO2-Ti-SiO2 의 구조를 가지며 적외선을 흡수하도록 그 두께가 디자인 되어있다. 전기적 절연성, 낮은 열전도성, 온도 변화에 따라 변형을 일으키는 특성을 갖도록 설계된 바이머티리얼 다리가 흡수체를 기판과 연결 시켜주고 있는 구조이다.
흡수체로 흡수된 적외선 에너지에 의한 열은 바이머티리얼 다리로 전달되고, 다리의 구부러짐을 일으킨다. 이때, 구부러진 다리는 상부 전극(적외선 흡수체)을 들어올리게 되어 가변 캐패시터의 캐패시턴스가 변하게 된다. 바이머티리얼 다리는 Al과 SiO2 가 붙어있는 빔모양의 구조이다. 본 구조는 MEMS구조의 전기적인 신호 파트와 기계적으로 움직이는 파트가 분리 되어있는 것을 그 특징으로 하며, 높은 Q-펙터를 갖는 캐패시터나 초음파 센서등과 같은 여러 MEMS 소자에 응용이 가능하다
