Development of bolometric devices for far-infrared radiation detection

Abstract

Resumo: Este trabalho tem como objetivo a fabricação e caracterização de sensores térmicos descritos como bolométricos, que são dedicados a detecção da radiação infravermelha distante. Estes sensores são construídos a partir de técnicas de microfabricação, utilizando filmes finos seletivos a corrosão úmida. Estas microestruturas mecânicas são formadas sobre laminas de silício a partir de um ataque químico úmido sobre a superfície da mesma. Como estas estruturas são obtidas utilizando-se técnicas convencionais de fabricação de circuitos integrados, torna-se possível a integração monolítica de circuitos eletrônicos e dispositivos mecânicos, permitindo o desenvolvimento de microssistemas integrados. O ouro poroso ou "ouro negro" foi estudado e caracterizado, sendo utilizado como absorvedor de radiação e apresentou neste trabalho índices de absorção superiores a 80%. Foi desenvolvido também um processo para integrar este filme ao dispositivo. O silício policristalino, submetido a dopagem de boro, foi desenvolvido para se obter valores de TCR próximos a -2%K-1 e resistências abaixo de 1k'ômega'. Finalmente, foram desenvolvidos os layouts, fabricadas e testadas as microestruturas de diversas geometrias, como pontes, vigas, membranas, espiras, entre outras. Os dispositivos bolométricos testados apresentaram TCR de -2,54%K-1 , um tempo de resposta de aproximadamente 2 ms, uma responsividade de 0,35 V/W e uma detectividade específica de 6,04.109 mHz1/2W-1, quando submetido a uma radiação de 0,85 THz.Abstract: This work has as a main goal the fabrication and characterization of thermal sensors, described as bolometrics, which are dedicated to detection of far infrared radiation. These sensors are fabricated using microfabrication techniques and the thin films are selectives to wet etching. These mechanical microstructures are formed on silicon wafers using a surface wet etching. As these structures are obtained using conventional techniques for CI´s manufacturing, it becomes possible perform a monolithic integration of electronics and mechanical devices, allowing the integrated microsystems development. The porous gold or "gold black" used as a radiation absorber, was studied and characterized, and this study showed absorption index greater than 80%. Was developed a process to integrate this film to device. The doped polycrystalline silicon was performed to obtain TCR values near to -2% K-1 and resistance less than 1k'omega'. Finally, the layouts are designed, performed and tested the microstructure of various geometries such as bridges, beams, membranes, coils, among others. The devices tested presented TCR about -2.54% K-1, a response time of approximately 2 ms, responsivity about 0.35 V / W and specific detectivity about 6.04x109 mHz1/2W-1 when subjected to a 0,85 THz radiation