Monolithic CMOS-MEMS resonant beams for ultrasensitive mass detection
Estructures ressonants en forma de biga (p.e. ponts o palanques) són molt interessants com a element transductor en sensors físics, químics i biològics basats en sistemes micro-/nanoelectromecànics (M-/NEMS) degut a la seva simplicitat, al gran rang de dominis que poden sensar, i a la seva extremada...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2008 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:37159 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/37159 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Metall òxid semiconductors complementaris Ressonadors Sistemes microelectromecànics |
| Sumario: | Estructures ressonants en forma de biga (p.e. ponts o palanques) són molt interessants com a element transductor en sensors físics, químics i biològics basats en sistemes micro-/nanoelectromecànics (M-/NEMS) degut a la seva simplicitat, al gran rang de dominis que poden sensar, i a la seva extremada alta sensibilitat. Aquesta tesis està focalitzada en el disseny, fabricació i caracterització de CMOS-MEMS monolítics basats en bigues ressonants a escala sub-micromètrica per a la seva utilització en la detecció ultra sensible de massa amb un dispositiu portable. Els ressonadors operen en mode dinàmic on la massa es mesurada com un canvi de la seva freqüència de ressonància que és induïda electrostàticament i llegida d'una forma capacitiva mitjançant un circuit CMOS integrat monolíticament. Dues aproximacions tecnològiques diferents són considerades per tal de fabricar bigues ressonants a escala sub-micromètrica sobre xips CMOS prèviament processats, possibilitant una integració monolítica: (i) post processant els xips CMOS amb tècniques de nano fabricació per obtenir les estructures ressonants o (ii) definint els ressonadors al mateix temps que els circuits CMOS. Per les dues aproximacions, es presenten dispositius de metall i de polysilici amb sensibilitats de massa sense precedents (per a sensors CMOS monolítics) dins el rang dels atto-/zeptograms. Es presenta una comparativa dels resultats aconseguits mitjançant les dues aproximacions tecnològiques. Es dissenyen circuits de lectura CMOS d'alta sensibilitat per amplificar el corrent capacitiu amb guanys de transimpedància (utilitzant una tecnologia comercial CMOS 0.35-μm) de fins a 120 dBΩ a 10 MHz possibilitant la detecció del desplaçament del ressonador amb resolucions de fins a ~10 fm/√Hz semblants a les obtingudes pels millors sistemes de detecció òptics reportats i sense la necessitat d'un equipament complexa. Es presenta la caracterització elèctrica, a l'aire i al buit, de dispositius CMOS-MEMS fabricats que corroboren la capacitat de l'aproximació monolítica presentada per mesurar la característica freqüencial de ressonadors a escala sub-micromètrica. S'aconsegueix una transducció electrostàtica òptima i es mesuren respostes freqüencials elèctriques amb pics elevats (fins a 20 dB o més) i grans canvis de fase (fins a 160º) al voltant de la freqüència de ressonància. També es reporten mesures on s'observen efectes de softening/harderning de la constant de molla i d'histèresis produïts per les no linealitats així com la detecció del moviment Brownià intrínsec demostrant el bon matching de soroll entre el ressonador i el circuit de lectura. També es presenten els resultats de calibració, de mesures en temps real, i d'anàlisi de la resolució dels dispositius fabricats obtenint valors de fins a ~30 zg/√Hz (equivalent a ~6 pg/cm2√Hz) en condicions de buit que indiquen la millora respecte a treballs anteriors en termes de sensibilitat, resolució i procés de fabricació. Es presenta i es testeja un circuit oscil·lador Pierce CMOS adaptat per a treballar amb ressonadors de ~10 MHz i amb resistències mecàniques equivalents de fins a 100 MΩ demostrant que és factible la detecció d'attograms amb un dispositiu sensor completament portable. |
|---|