During the microbolometer operation, it occasionally happens that the detector views high temperature scenes such as sun during the daylight or flames in very close distance. Detector temperature increase can be so high that bolometer material may experience annealing effect by viewing such high temperature scenes. Thus, microbolometers are required to stand a high temperature that can cause device damage.
In this thesis, a bimorph leg integrated microbolometer structure will be proposed. The bimorph leg is an extra leg which is separated from the signal transfer legs and it bents downward and snap on the substrate when the microbolometer’s temperature reaches to critical temperature. Then, the temperature of the microbolometer is decreased as the heat is transferred to the substrate.
By snapping the bimorph leg down onto the substrate, microbolometer’s thermal conductance is temporarily increased 3 times higher than that of normal state and thermal damage of the bolometer material can be prevented effectively. The increase of thermal conductance can be controlled by changing bimorph leg’s size.
본 연구에서는 마이크로 볼로미터의 고온에서 발생하는 문제를 해결 하기 위한 새로운 구조를 제안하였다. 마이크로 볼로미터는 반응성을 높이기 위해 흡수한 열에너지를 잘 보존할 수 있도록 좋은 열 격리 구조를 가지게 설계한다. 이로 인해 고온의 물체에 노출되었을 경우, 흡수체의 온도가 매우 상승하게 되고, 감지 물질의 annealing effect 에 의해 문제가 야기된다. 흡수체의 고온으로 상승을 막기 위해 열전도도를 높이면 가능하다. 하지만 앞서 언급한 것과 같이 실온에서의 동작에서 반응성을 높이기 위해서는 열전도도를 낮출 수 밖에 없다. 따라서 실온일 때와 고온일 때의 열전도도를 다르게 가지도록 설계할 필요가 있다.
제안된 새로운 구조는 온도에 따라 스스로 열전도도를 다르게 가지도록 하였다. 흡수체의 옆에 Bimorph 구조의 다리를 삽입함으로써, 흡수체의 온도가 특정 값이 되면 Bimorph 구조체가 휘어져 바닥에 닿게 하였다. 이로 인해 흡수체와 바닥이 연결되어 열전도도가 상승하여 고온으로 올라가는 것을 방지하게 된다. 따라서 일반적인 상황 즉, 실온에서의 동작에서는 열전도도가 $1.6\times10^{-7}W/K$ 정도의 낮은 값을 가지지만 흡수체의 온도가 문제를 야기시킬 수 있는 고온까지 올라 갈 경우, 열전도도가 $6\times10^{-7}W/K$ 정도로 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 고온일 때 상승하는 열전도도는 Bimorph 구조의 다리의 크기 및 면적을 다르게 하면 충분히 조절 가능하다.
제안된 새로운 구조의 장점은 앞서 문헌에서 발표되었던 소자들과 달리 흡수체가 안정되어 있어 일정한 Resonant cavity를 유지하면서, 외부의 전압이 필요 없이 고온에서 스스로 열전도도를 변화 시킬 수 있다는 점이다. 따라서 본 연구에서 제안된 구조는 온도의 변화가 심한 악조건에서 신뢰성 있게 동작되어야 하는 군수용뿐 아니라 민수용으로도 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 열전도도가 변화하는 온도 및 크기에 대한 최적화 연구가 추가적으로 진행되어야 한다.
