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Enregistrement W1132783058

Electro-Thermal Mechanical Modeling of Microbolometer for Reliability Analysis

2010· dissertation· en· W1132783058 sur OpenAlexfundno aff
Dawit Effa

Notice bibliographique

RevueUWSpace (University of Waterloo) · 2010
Typedissertation
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueAdvanced Sensor Technologies Research
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesCanadian Space Agency
Mots-clésMicrobolometerReliability (semiconductor)ThermalThermal analysisReliability engineeringEngineering physicsEngineeringMaterials scienceMechanical engineeringElectrical engineeringPhysicsBolometerThermodynamicsDetector
DOInon disponible

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Infrared (IR) imaging is a key technology in a variety of military and civilian applications, especially for night vision and remote sensing. Compared with cryogenically cooled IR sensors, uncooled infrared imaging devices have the advantages of being low cost, light weight, and superior reliability. The electro-thermal analysis of a microbolometer pixel is critical to determine both device performance and reliability. To date, most microbolometer analysis research has focused on performance optimization and computation of thermal conductance directly from the geometry. However, modeling of the thermal distribution across the microbolometer pixel is critical for the comprehensive analysis of system performance and reliability. Therefore, this thesis investigates the electro-thermo-mechanical characteristics of a microbolometer pixel considering the effects of joule heating and incoming IR energy. \n\t \nThe contributions of the present research include the electro-thermal models for microbolometer and methods of validating thermal distribution using experimental results. The electro-thermal models explain the effect of microbolometer material properties and geometry on device performance and reliability. The research also contributes methods of estimating the thermal conductivity of microbolometer, which take into account different heat transfer mechanisms, including radiation and convection. Previous approaches for estimating the thermal conductance of uncooled microbolometer consider heat conduction via legs from the geometry of the pixel structure and material properties [2]. This approach assumes linear temperature distribution in the pixel legs structure. It also leaves out the various electro-thermal effects existing for multilayer structures. In the present research, a different approach is used to develop the thermal conductance of microbolometer pixel structure. The temperature distribution in the pixel is computed from an electro-thermal model. Then, the average temperature in the pixel microplate and the total heat energy generated by joule heating is utilized to compute the thermal conductance of the structure. \n \nThe thesis discusses electro-thermal and thermo-mechanical modeling, simulation and testing of Polysilicon Multi-User MEMS Process (PolyMUMPs®) test devices as the groundwork for the investigation of microbolometer performance and reliability in space applications. An electro-thermal analytical and numerical model was developed to predict the temperature distribution across the microbolometer pixel by solving the second order differential heat equation. To provide a qualitative insight of the effect of different parameters in the thermal distribution, including material properties and device geometry, first an explicit formulation for the solution of the electro-thermal coupling is obtained using the analytical method. In addition, the electro-thermal model, which accounts for the effect of IR energy and radiation heat transfer, spreading resistance and transient conditions, was studied using numerical methods. \n \nIn addition, an analytical model has been developed to compute the IR absorption coefficient of a Thin Single Stage (TSS) microbolometer pixel. The simulation result of this model was used to compute absorbed IR energy for the numerical model. Subsequently, the temperature distribution calculated from the analytical model is used to obtain the deflections that the structure undergoes, which will be fundamental for the reliability analysis of the device. Finite element analysis (FEA) has been simulated for the selected device using commercial software, ANSYS® multiphysics. Finite element simulation shows that the electro-thermal models predict the temperature distribution across a microbolometer pixel at steady-state conditions within 2.3% difference from the analytical model. The analytical and numerical models are also simulated and results for a temperature distribution within 1.6% difference. In addition, to validate the analytical and numerical electro-thermal and thermo-mechanical models, a PolyMUMPs® test device has been used. The test results showed a close agreement with the FEM simulation deflection of the test device.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,004
Score d'incertitude au seuil0,012

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,000
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0040,002

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,010
Tête enseignante GPT0,223
Écart entre enseignants0,213 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2010
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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