Elektrik-Elektronik Mühendisliği, elektrik enerjisinin üretilmesi, iletilmesi ve kullanılmasını sağlayan sistemlerle, elektronik devrelerin ve iletişim teknolojilerinin tasarlanması ve geliştirilmesini kapsayan bir mühendislik alanıdır. Bu mühendislik dalı, hem yüksek güçlü elektrik sistemleriyle hem de düşük güçlü elektronik devre ve cihazlarla ilgilenir. Elektrik santrallerinden iletim hatlarına, elektronik kartlardan haberleşme cihazlarına, otomasyon sistemlerinden sensörlere kadar birçok teknolojinin temelinde elektrik-elektronik mühendisliği bulunur. Amaç, enerjinin güvenli ve verimli şekilde kullanılmasını sağlamak, elektronik sistemleri tasarlamak ve teknolojik altyapıyı geliştirmektir.

Elektrik-Elektronik mühendisliğinin gelişen uygulama alanlarından biri de kısa dalga kızılötesi (SWIR – Short Wave Infrared) görüntüleme sistemleridir. SWIR sensörler, 900–2500 nm dalga boyu aralığında çalışan özel InGaAs fotodiyot yapıları sayesinde görünür ışıkta görülmeyen detayları ortaya çıkarır. Bu sensörlerin tasarımı, hassas analog okumadan yüksek hızlı dijital veri aktarımına, güç yönetiminden PCB yerleşimine kadar çok disiplinli bir mühendislik yaklaşımı gerektirir. Bu nedenle SWIR tabanlı bir görüntüleme kartının geliştirilmesi; sensör seçimi, okuyucu devre (ROIC) tasarımı, FPGA tabanlı veri işleme ve sistem kalibrasyonu gibi aşamalardan oluşan kapsamlı bir tasarım sürecini içerir.

INFRARED GÖRÜNTÜLEME SİSTEMLERİ

Özel görüntüleme sistemi fabrikasyonu, standart kamera mimarisinin ötesine geçen, belirli bir spektral banda veya uygulamaya özel olarak tasarlanmış optik, elektronik ve mekanik bileşenlerin üretim sürecini ifade eder. Bu süreçte; lens ve filtre mimarisinden sensör seçimine, sinyal yükseltme katlarından yüksek hızlı veri iletim hatlarına, güç yönetiminden gömülü kontrol devrelerine kadar tüm alt birimler uygulamanın gereksinimlerine göre özelleştirilir. Özellikle görünür ışık dışında çalışan sistemlerde, sensörün kuantum verimi, dalga boyu duyarlılığı, gürültü seviyesi ve çalışma sıcaklığı gibi parametreler hem tasarım hem de üretim aşamasında kritik rol oynar. Üretim süreci; optik hizalama, sensör paketleme (packaging), PCB montajı, EMI/EMC gereksinimlerinin sağlanması, kalibrasyon ve fonksiyonel testler gibi çok disiplinli adımları içerir. Böylece elde edilen görüntüleme modülleri, klasik kamera sistemlerinin sunamadığı doğruluk, kararlılık ve spektral seçicilik sağlar.

Görüntüleme sistemlerinin görünür bandın dışına taşmasıyla birlikte, yakın kızılötesi ve kısa dalga kızılötesi (SWIR) gibi özel spektral alanlarda çalışan sensörlerin fabrikasyon süreci ayrı bir önem kazanmaktadır. SWIR sensörlerin fiziksel yapısı, kullanılan yarıiletken malzemeler, optik arayüzler ve elektronik okuma devreleri, standart CMOS sensörlere göre farklı mühendislik yaklaşımları gerektirir. Bu nedenle, özel görüntüleme sistemi üretiminin doğal bir uzantısı olarak SWIR sensör ve kart fabrikasyonu kritik bir uzmanlık alanı hâline gelmiştir.

SWIR FABRİKASYONU

SWIR fabrikasyonu, kısa dalga kızılötesi (900–2500 nm) bandında çalışabilen özel görüntüleme sensörlerinin ve bunları destekleyen elektronik altyapının üretim sürecini kapsar. Bu sensörler genellikle InGaAs (Indium Gallium Arsenide) tabanlı fotodiyot dizilerinden oluşur ve görünür ışık sensörlerinde kullanılan klasik silikon yapının ötesine geçerek, yüksek kuantum verimi ve düşük gürültü performansı sağlar. SWIR sensörün üretimi, yarıiletken wafer işlemlerinin yanı sıra fotodiyotların piksel mimarisi, pixel pitch optimizasyonu, karanlık akım yönetimi ve yüzey pasivasyonu gibi uzmanlık isteyen adımlar içerir.

Sensör üretiminin ardından, optik sinyali elektriksel çıktıya dönüştürecek olan ROIC (Readout Integrated Circuit) ile tümleşik bir yapı oluşturulur. Bu aşamada çip üzerinde analog okuma devreleri, kazanç kontrolü, ADC ön katı, bakım-elektriksel güvenlik hatları ve yüksek hızlı data çıkış arabirimleri (LVDS, MIPI vb.) entegre edilir. ROIC ve sensörün hibrit bağlama (hybrid bonding / indium bump bonding) teknikleriyle birleştirilmesi, SWIR fabrikasyonunun en kritik noktalarından biridir; çünkü sinyal bütünlüğü, gürültü seviyesi ve piksel yanıt doğruluğu doğrudan bu aşamaya bağlıdır.

SWIR kameraların üretimi, birden fazla ileri seviye yarıiletken ve elektronik süreçten oluşan kapsamlı bir fabrikasyon zincirini içerir. Bu süreçler arasında ROIC (Read-Out Integrated Circuit) üretimi, flip-chip bağlantı, tel bağlama (wire bonding), paketleme, elektronik entegrasyon ve kalibrasyon yer alır.

ROIC Üretimi (ROIC Fabrication)

ROIC, fotodedektör dizisinden gelen elektriksel sinyalleri okuyan, yükselten ve işlenebilir veri hâline dönüştüren temel bir bileşendir. Bu entegre devrenin üretimi; analog okuma katları, kazanç kontrol devreleri, gürültü azaltma yapıları ve yüksek hızlı çıkış arabirimlerinin yarıiletken düzeyde tasarlanması ve fabrikasyonu ile gerçekleştirilir.

Flip-Chip Bağlantı (Flip-Chip Bonding)

Flip-chip teknolojisi, fotodedektör dizisinin ters çevrilerek yüksek hassasiyetle hizalanmış bir şekilde doğrudan ROIC üzerine monte edilmesini sağlayan ileri bir paketleme yöntemidir. Bu yöntem, düşük empedanslı bağlantılar ve yüksek bant genişliği sağlayarak SWIR sensörlerinin performansını artırır.

Tel Bağlama (Wire Bonding)

Flip-chip bağlantının kullanılmadığı durumlarda sensör ile ROIC arasındaki elektriksel bağlantılar, mikrometre çapında çok ince altın veya alüminyum teller aracılığıyla wire bonding yöntemiyle gerçekleştirilir. Bu yöntem özellikle daha geleneksel paketleme geometrilerinde tercih edilmektedir.

Paketleme (Packaging)

Paketleme, SWIR sensörünün nem, toz, mekanik titreşim ve sıcaklık değişimleri gibi çevresel etkilere karşı korunmasını sağlayan fiziksel bir muhafaza içine alınması sürecidir. Paketleme aşamasında optik pencere malzemesi, termal yönetim, mekanik dayanım ve hermetik koruma gibi faktörler belirleyicidir.

Elektronik Entegrasyon (Electronic Integration)

Bu aşamada SWIR sensör modülü, ADC (analog-sayısal dönüştürücü), arayüz kartı, güç yönetim birimleri ve gerekli diğer elektronik bileşenlerle entegre edilir. Elektronik entegrasyon, sensörün çalışma gerilimlerinin sağlanması, sinyal bütünlüğünün korunması ve sistem düzeyinde haberleşme arayüzlerinin çalıştırılmasını kapsar.

Kalibrasyon (Calibration)

Kalibrasyon süreci, sensörün belirlenen dalga boyu aralığında doğru ve tutarlı çalışmasını sağlamak için gerçekleştirilir. Bu kapsamda ışık şiddeti, spektral yanıt, karanlık akım, uniformite, sıcaklık bağımlılığı ve diğer çevresel değişkenlere karşı sensörün tepkisi ölçülür ve optimize edilir. Kalibrasyon, nihai SWIR kamera modülünün doğruluk, hassasiyet ve kararlılık açısından hedeflenen performansa ulaşmasını sağlar.