Diseño de un Sistema de Microsensores Químicos basados en MEMS

Transcripción

1 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Microelectrónica: Diseño y Aplicaciones de Sistemas Micro/Nanométricos Diseño de un Sistema de Microsensores Químicos basados en MEMS Fernando Martínez Martí Diciembre de 2012

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3 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Microelectrónica: Diseño y Aplicaciones de Sistemas Micro/Nanométricos Diseño de un Sistema de Microsensores Químicos basados en MEMS Fernando Martínez Martí Diciembre de 2012 Dirigido por: Ricardo Carmona Galán Jorge Mendoza López

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5 Agradecimientos A ti, porque sobran las palabras y porque siempre estás ahí. A mi familia, por su eterna confianza. A los profesores Alberto J. Palma y Jesús Banqueri, por confiar y darme la oportunidad de empezar mi carrera investigadora, y a Almudena Rivadeneyra, por las infinitas horas sólo para llegar a entender las siglas MEMS. A mis dos tutores, Ricardo y Jorge, porque a pesar de los kilómetros y la dificultad que implica hacer un trabajo de fin de máster en la distancia, siempre han estado dispuestos a ayudarme cuando los he necesitado. I

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7 Resumen Palabras Clave MEMS, sensor capacitivo, polímero, POLYMUMPs, CMOS, VOC, Lab-On- Chip. Resumen En los últimos años la detección de las moléculas o componentes químicos es una tarea de interés general para conocer aspectos cualitativos o cuantitativos de un componente químico específico. Para ello durante el presente trabajo se ha diseñado un sistema de microsensores químicos basados en tecnologías MEMS. Estos microsensores funcionan mediante un polímero como elemento sensor, y son de tipo capacitivo plano paralelos. Los sensores se han diseñado mediante tecnología MEMS multiprojecto (MPW) con el objetivo de abaratar costes. Como post-procesamiento de los dados se realizará una deposición del polímero sobre los MEMS fabricados mediante impresora de inyección de tinta FujiFillm Dimatix DMP Además, se presentará el diseño de un circuito de acondicionamiento basado en un amplificador de carga, en el que la variación de la capacidad del sensor producirá una variación en tensión de salida.

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9 Abstract Keywords MEMS, capacitive sensor, polimer, POLYMUMPs, CMOS, VOC, Lab-On-Chip. Abstract In recent years, the detection of molecules or chemical compounds is a task of interest to know qualitative and quantitative aspects of a specific chemical component. In this thesis work, a system based on chemical microsensor MEMS technology was designed. This system is based on a series of capacitive MEMS sensors based on polymers as sensing element. These sensors are parallel plate capacitive sensors type, and as a dielectric material they include polymers deposited using an inkjet printer FujiFillm Dimatix DMP In addition, a conditioning circuit design will be provided based on a charge amplifier, in which the variation of the MEMS capacitive sensor will produce a variation of the output voltage.

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11 Glosario AC: Alternating Current (Corriente Alterna). Adiol: Poly(diallylsiloxane)fluoroalcohol. AuHFA: Fluoroalcohol coated gold nanospheres. BSAC: Berkeley Sensors and Actuators Center. C 12 H 11 NO 2 : Carbaryl. C 3 H 6 O: Acetone (Acetona). CO 2 : Carbon Dioxide (Dióxido de Carbono). DI: Deionized water (Agua Desionizada). DIMP: Diisopropylmethylphosphonate. DNT: Dinitro-Toluene. FEM: Finite Elements Method (Método de elementos finitos). HC: Hydrocarbon (Hidrocarburo). HF: Hydrofluoric acid (Ácido Fluorhídrico). ICMR: Input Common-Mode Range (Rango de Entrada de Modo Común). LIGA: Lithographie, Galvanoformung, Abformung. LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposición (Deposición Química en Fase de Vapor de baja presión). MEMS: Microelectromechanical Systems (Sistemas Microelectromecánicos). MUMPS: Multi-User MEMS Processes (Proceso MEMS Multi-Usuario). MPW: Multi-Project Wafer (Oblea Multi-Proyecto). NH 3 : Ammonia (Amonio). VII

12 VIII NO: Nitric Oxide (Óxido Nitrico). NO 2 : Nitrogen Dioxide (Dióxido de Nitrógeno). OPA: Operational Amplifier (Amplificador Operacional). PEMA: Poly(Ethyl Methacrylate). PHEMA: Poly(2-hydroxy Styrene Methacrylate). ppm: Parts per million (Partes por millón). PSG: Phosphosilicate Glass (Cristal de Fosfosilicato). RF: Radiofrequency (Radiofrecuencia). RIE: Reactive Ion Etch. SO 2 : Sulphur Dioxide (Dióxido de Azufre). SOI: Silicon On Insulator (Silicio sobre aislante). SXFA: Siloxanefluoro Alcohol. VOC: Volatile Organic Compound (Compuestos Orgánicos Volátiles).

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15 Índice general 1. Introducción Los Sistemas Microelectromecánicos Proceso de fabricación Clasificación de Sensores MEMS Sensores Resistivos Sensores Capacitivos Sensores Piezoeléctricos Sensores Resonantes Sensores Termoeléctricos Sensores Magnéticos Sensores Químicos MEMS Algunas Foundries y Reglas de Diseño para MEMS Tronics Microsystems MEMSCAP MUMPs Motivación Objetivos Estado del arte de los sensores MEMS químicos Sensores Resistivos Sensores Capacitivos Interdigitales Placas Plano Paralelas Otros tipos Propuesta de diseño de Microsensores MEMS Diseño Estructura cuadrada Estructura Circular Estructura Hexagonal Simulación en COMSOL Resultados Sensor Cuadrado XI

16 XII Índice general Sensor Circular Sensor Hexagonal Conclusiones Layout Circuito de Acondicionamiento Diseño Diseño sobre Macromodelo Diseño del OTA Conclusiones Conclusiones y Trabajos Futuros Conclusiones Trabajos Futuros A. Proceso PolyMUMPs 77 B. AMS 0.35µm 85 Bibliografía 89

17 Índice de figuras 1.1. Ejemplos de dispositivos MEMS Flujo de fabricación de sensores MEMS[1] Pasos en un proceso típico de Surface Micromachining Pasos en un proceso típico de Bulk Micromachining Concepto de piezorresistencia Concepto de magnetorresistencia Concepto de termorresistencia Concepto de Condensador Concepto de Sensor Piezoeléctrico Concepto de Sensor Resonante de frecuencia variable Concepto de Sensor Resonante de amplitud variable Efecto termoeléctrico Sensores Magnéticos Definición y estructura de un sensor químico Cambio en la respuesta en frecuencia de un conmutador capacitivo ante diferentes analitos[2] Sección de la oblea en tecnología Tronics Sección de la oblea en tecnología PolyMUMPs[3] Micro-actuador electrostático MEMS fabricado en PolyMUMPs[4] Sección de la oblea en tecnología SOIMUMPs[5] Ejemplo de una micropinza electroestática MEMS fabricada en SOIMUMPs[6] Sección de la oblea en tecnología MetalMUMPs[7] Ejemplo de un condensador variable fabricado en MetalMUMPs[8] Esquema del cambio de resistividad[9] Esquemático sensor de gas con polímeros conductivos[10] Condensador interdigital formado por 6 fingers Estructuras interdigitales Diseños de sensores de humedad en proceso CMOS[11] Propuesta de diseño de sensor químico capacitivo[12] Esquemático del sistema sensor realizado por Maute et al.[13] XIII

18 XIV ÍNDICE DE FIGURAS 3.1. Software empleado durante el diseño Vistas del sensor cuadrado Vistas del sensor circular Vistas del sensor hexagonal Módulos físicos de COMSOL Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Cuadrado) Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Cuadrado) Capacidad vs Carbaryl (Sensor Cuadrado) Capacidad vs DIMP (Sensor Cuadrado) AuHFA como dieléctrico (Sensor Cuadrado) Capacidad vs Acetona (Sensor Cuadrado) Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Circular) Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Circular) Capacidad vs Carbaryl (Sensor Circular) Capacidad vs DIMP (Sensor Circular) AuHFA como dieléctrico (Sensor Circular) Capacidad vs Acetona (Sensor Circular) Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Hexagonal) Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Hexagonal) Capacidad vs Carbaryl (Sensor Hexagonal) Capacidad vs DIMP (Sensor Hexagonal) Capacidad vs Acetona (Sensor Hexagonal) AuHFA como dieléctrico (Sensor Hexagonal) Layout del sensor cuadrado Aumento de diez veces más del eje Z del sensor cuadrado Sensor cuadrado generador por CoventorWare Circuito de acondicionamiento basado en amplificador de carga Macromodelo del amplificador operacional diseñado Simulación del circuito de acondicionamiento con el macromodelo del amplificador Amplificador diferencial diseñado Ganancia Diferencial del OTA diseñado Simulación de variación del sensor capacitivo con el OTA diseñado Relación C 1 (capacidad del sensor) con la tensión de salida A.1. Oblea dopada con fósforo, deposición LPCVD de nitruro y polisilicio. Recubrimiento con fotoresistencia para modelar el polisilicio mediante fotolitografía A.2. Después de la exposición de la fotoresistencia a luz ultravioleta A.3. Grabado RIE sobre el polisilicio A.4. Deposición de la primera capa de óxido A.5. Fotolitografía de la capa de sacrificio para crear los dimples A.6. Grabado RIE para la definición de la capa Anchor

19 ÍNDICE DE FIGURAS XV A.7. Recocido de PSG sobre la capa de Poly A.8. Grabado sobre la capa de Poly A.9. Grabado sobre la capa de Poly A.10.Grabado sobre la capa de Óxido 1 para llegar a la capa de Poly A.11.Niveles Poly 1 Poly 2 Via y Anchor A.12.Deposición de la máscara de PSG sobre la capa de Poly A.13.Fotolitografía y grabado sobre Poly A.14.Deposición del metal A.15.Eliminación de la capa de Oxido

20 XVI ÍNDICE DE FIGURAS

21 Índice de tablas 1.1. Comparativa entre microsistema y micromódulo[2] Espesores de las diferentes capas del proceso PolyMUMPs Parámetros geométricos del sensor cuadrado Parámetros geométricos del sensor circular Parámetros geométricos del sensor hexagonal Polímeros y analitos estudiados Tabla resumen de las simulaciones Parámetros del macromodelo Dimensiones de los transistores del amplificador diferencial XVII

22 XVIII ÍNDICE DE TABLAS

23 Capítulo 1 Introducción Contenidos 1.1. Los Sistemas Microelectromecánicos Proceso de fabricación Clasificación de Sensores MEMS Sensores Resistivos Sensores Capacitivos Sensores Piezoeléctricos Sensores Resonantes Sensores Termoeléctricos Sensores Magnéticos Sensores Químicos MEMS Algunas Foundries y Reglas de Diseño para MEMS Tronics Microsystems MEMSCAP MUMPs Motivación Objetivos

24 2 Capítulo 1. Introducción Actualmente existen multitud de aplicaciones de muy diversa índole para el diseño de MEMS, en primer lugar se van a introducir en qué consisten estos sistemas y qué tipo de aplicaciones se puede llevar a cabo[2] Los Sistemas Microelectromecánicos MEMS[14] es el acrónimo de Microelectromechanical Systems, y hace referencia a sistemas electromecánicos del orden del micrómetro. Por lo tanto, podemos decir que los MEMS son máquinas de dimensiones muy reducidas. Sin embargo, muchas veces la interpretación literal de las siglas puede dar lugar a confusiones, ya que no todos los MEMS tienen por qué incluir parte mecánica o parte eléctrica. Los MEMS se encuentran en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo sensores para el desarrollo de los air-bags de automóviles, giroscopios a microescala para aplicaciones aeroespaciales, cabeceros de impresoras de chorro de tinta, conmutadores de radio frecuencia (RF) para celdas móviles y otros dispositivos para comunicaciones inalámbricas, dispositivos para detección química y biológica; y otra larga lista de aplicaciones. En microescala, muchos de los fenómenos físicos que son despreciados en el mundo macroscópico pueden llegar a ser características dominantes. Estos fenómenos son a menudo explotados ingeniosamente, resultando en dispositivos MEMS con principios de operación completamente diferentes de sus homólogos en macroescala. Además, en fabricación, una estructura de 100 µm de longitud requiere un conjunto de técnicas y procesos muy diferentes de los que se utilizan en macroescala. Por eso, existen un reducido número de soluciones estándar en este campo, y los tecnólogos deben recurrir a los principios físicos fundamentales de diversas disciplinas para completar su tarea. Utilidad y Aplicaciones de los MEMS Los MEMS permiten el diseñar y construir sensores y transductores, junto con los circuitos de medida, control y acondicionamiento de la señal, equipados además con sus módulos de alimentación y comunicaciones en un área muy reducida. Esto permite ser más preciso, fabricar a un coste más efectivo así como conseguir una autonomía mayor del sistema. Diseño de MEMS Para el diseño de MEMS se necesitan herramientas de CAD. Para el layout se utilizan herramientas como Cadence o CoventorWare entre otras. Mientras que para el diseño y simulaciones previas se pueden utilizar herramientas de simulación por elementos fínitos (FEM) como por ejemplo COMSOL o incluso Coventor- Ware o para la simulación comportamental se pueden utilizar herramientas como MEMS+ también perteneciente a la empresa Coventor.

25 1.1. Los Sistemas Microelectromecánicos 3 Una de las posibilidades que permite MEMS+, es su integración con Cadence, lo que lo convierte en una herramienta muy interesante para simular su comportamiento a través de impulsos eléctricos o simular impulsos físicos por medio de elementos eléctricos. Además, al igual que para el diseño de circuitos integrados en tecnología CMOS, en el diseño de MEMS es necesario seguir unas reglas de diseño a la hora de la fabricación. Algunos procesos MEMS de distintas foundries ofrecidos actualmente a través de Europractice [15] son: Tronics MEMSSOI technology MEMSCAP MUMPs technologies: ˆ ˆ ˆ PolyMUMPs METALMUMPs SOIMUMPs imec SiGeMEMS technology En secciones posteriores se explicarán estas tecnologías y la elegida para el diseño del presente proyecto. Áreas de Aplicación de los MEMS Existe una gran variedad de dispositivos y de aplicaciones actualmente, aunque la lista sigue aumentando. Entre otras muchas aplicaciones y a modo de resumen podemos agruparlas en: Térmicos. Detectores de fotones. Ópticos. Magnéticos. Mecánicos. Químicos. Microfluídica. Biomedicina. Microactuadores. En la figura 1.1 podemos observar diferentes diseños MEMS para diferentes propósitos.

26 4 Capítulo 1. Introducción (a) Atenuador Óptico[16]. (b) Sensor de presión cardiaca[16]. (c) Acelerómetro[2]. (d) Conmutador de RF[2]. Figura 1.1: Ejemplos de dispositivos MEMS. Papel de los Circuitos Integrados con los MEMS Como se ha explicado ya, MEMS hace referencia a Microelectromechanical Systems, es decir, sistemas que combinan la operación eléctrica y mecánica sobre una oblea (normalmente)de silicio. Estos dispositivos están llamados a ser (junto con los NEMS, que hace referencia a la escala del nanometro) las máquinas más pequeñas fabricadas por el ser humano. Por lo tanto, los circuitos integrados representan un papel clave ya que son la herramienta necesaria para poder obtener, procesar y acondicionar las señales de los MEMS.

27 1.2. Proceso de fabricación 5 Existen multitud de trabajos, como el de Hautefeuille et al. [17], que presenta un microsensor químico de humedad, donde se ha llevado a cabo la fabricación del sensor MEMS dentro del propio proceso de fabricación CMOS. Esto permite que se pueda fabricar toda la circuiteria de acondicionamiento dentro de la misma oblea. Sin embargo, es mas común la fabricación de los sensores de forma separada a la del circuito integrado, ya que de esa forma, los procesos se pueden customizar o personalizar en caso de disponer del equipamiento necesario para ello; o en caso de tener que recurrir a procesos estándar como los descritos en este capitulo. Existen varias técnicas a la hora de conectar los dispositivos MEMS con los circuitos integrados, entre ellas cabe destacar el wire bonding [18, 19, 20], basado en la interconexión utilizando cables muy finos entre los contactos del circuito integrado y del dispositivo MEMS. Estos cables suelen fabricarse de aluminio, oro o cobre. Otra técnica muy utilizada es el flip-chip bonding [19, 21, 22], basada en la unión de dos chips por caras opuestas mediante puntos de soldadura en los pads. En los sistemas de microsensores se pueden distinguir estrictamente dos modos de conexión, atendiendo a su clasificación por microsistema o por micromódulo[2]. En el caso de un microsistema, todo se fabrica en la misma oblea; en el caso de un micromódulo, IC y MEMS se fabrican por separado y se interconectan posteriormente sobre otro sustrato. En la tabla 1.1 se puede ver una comparativa entre ambas aproximaciones. Microsistema Micromódulo + Fiablidad + Optimiza el yield + Minimización de los parásitos de interconexión + Proceso óptimo para sensores y circuitos + Ensamblado más simple y barato + Costes escalados al tamaño - Reduce el yield - Fiabilidad - Costes no escalados al tamaño - Grandes parásitos de interconexión - Proceso óptimo sólo para sensores - Ensamblado complejo y caro Tabla 1.1: Comparativa entre microsistema y micromódulo[2] Proceso de fabricación En los últimos años, las herramientas que se encuentran en una sala de máquinas estándar, como tornos, fresadoras y sierras de cinta, han crecido enormemente en complejidad y precisión. A unas velocidades sumamentes altas ( 60,000rpm o superior) algunas de estas herramientas son capaces de producir características en el rango sub-milimétrico, por lo que la técnica llamada micromilling se está convirtiendo en una técnica de microfabricación muy popular. En la figura 1.2 se puede observar un flujo de fabricación de MEMS.

28 6 Capítulo 1. Introducción Figura 1.2: Flujo de fabricación de sensores MEMS[1]. La mayoría de MEMS, sin embargo, se fabrican con un conjunto diferente de herramientas. El primer MEMS, y de hecho la mayor parte de los MEMS de hoy, se fabrican utilizando técnicas adaptadas de la fabricación de circuitos integrados y el procesamiento de semiconductores. Tales técnicas consisten en crear estructuras sobre sustratos delgados y planos (normalmente silicio) en una serie de procesos en capas. Esta fabricación en capas se ilustra mejor con un par de ejemplos específicos. Consideremos en primer lugar la creación de un diafragma delgado y flexible que en última instancia se puede utilizar como parte de un sensor de presión de MEMS. Figura 1.3: Pasos en un proceso típico de Surface Micromachining. En la figura1.3 se observa uno de los procesos de fabricación denominado surface micromachining (micromecanizado superficial), en este proceso la estructura del MEMS se forma mediante deposiciones y grabados sucesivos de ciertos materiales, como polisilicios y óxidos. Existe otra técnica, llamada bulk micromachining (micromecanizado volumétrico, figura 1.4) en la que el sustrato en sí mismo se convierte

29 1.2. Proceso de fabricación 7 en parte de la estructura del dispositivo MEMS. Mediante el proceso de micromecanizado superficial se consiguen estructuras más finas y pequeñas que mediante el micromecanizado volumétrico, que ataca directamente a la oblea. Figura 1.4: Pasos en un proceso típico de Bulk Micromachining. Otro proceso para la fabriación de dispositivos MEMS es el LIGA, este proceso está basado básicamente en tres procesos: Litografía de Rayos X: a partir de una primera máscara realizada con la ayuda de un cañón de electrones, el patrón en dos dimensiones de las microestructuras es duplicado por rayos X sobre una capa de polímero fotosensible. El espesor y el material de la máscara como el tamaño de las micro estructuras determinan el espesor máximo de la capa de polímero. El patrón es a continuación revelado para poder pasar a la etapa siguiente. La galvanización por electro-deposición: el metal es depositado sobre las microestructuras reveladas anteriormente, sobre todo el espesor de la capa de polímero remanente. La estructura así obtenida sirve directamente a la formación en la etapa siguiente si el espesor es suficiente para la aplicación prevista, o son utilizadas con la máscara de la primera etapa de litografía de rayos X, a fin de obtener estructuras más gruesas (el metal depositado entonces es el oro, que

30 8 Capítulo 1. Introducción presenta excelentes cualidades electrónicas para la electro deposición así como una alta absorción de rayos X). El conformado: después de la disolución del polímero remanente alrededor del cual se ha desarrollado la galvanización, el bloque de metal es preparado para servir de herramienta de formación. Se pueden entonces fabricar en serie micro estructuras en polímero por formación (en matrices, estampado o moldeado por inyección). Debido a que el presente trabajo está centrado en la fabricación de sensores químicos de tipo capacitivo, se pueden añadir los siguientes pasos de postprocesado(fuera de la sala blanca) en el proceso de fabricación de dispositivos MEMS: Deposición de electrodos de metal (utilizando técnicas como liftoff, thermal evaporation o sputtering). Grabado opcional para formación de membranas para la estabilización ante cambios de temperatura. Deposición de los polímeros (Spin-casting, spraying, fotolitografia, inyección por impresión) Clasificación de Sensores MEMS A continuación se realizará una breve descripción de la clasificación y los principios de operación de los principales tipos de MEMS Sensores Resistivos En los sensores resistivos, la causa de la medida es un cambio en la resistencia eléctrica del material. El cambio en dicha resistencia normalmente se detecta utilizando un circuito con una configuración tipo puente. Existen básicamente tres tipos de sensores resistivos utilizados en MEMS: Piezorresistivo (Más comercializado) Magnetorresisitivo (Tecnología emergente) Termorresistivo Piezorresistivo Un material piezorresistivo es aquel que cambia su resistencia eléctrica cuando se presiona o se dobla. En la figura 1.5(a) se puede observar una piezorresistencia, en la que dicha resistividad se puede alterar doblando, estirando, o retorciendo el material (figura 1.5(b)).

31 1.3. Clasificación de Sensores MEMS 9 (a) Efecto piezorresistivo. (b) Metodos para crear deformación. Figura 1.5: Concepto de piezorresistencia. En todo conductor, la resistencia R está determinada por tres parámetros físicos: la resistividad, la longitud y el área de sección. La deformación del material afecta a los tres parámetros. En metales, el efecto dominante es el cambio dimensional de la longitud y el área, mientras que en semiconductores es la piezorresisitividad. Debido a que el elemento sensor en los sensores MEMS piezorresistivos es normalmente un único cristal de silicio dopado, es decir un semiconductor, generalmente se desprecian los cambios debidos a las dimensiones y se consideran sólo los cambios asociados a la piezorresistividad. Como los cambios en los sensores piezorresistivos son muy pequeños, normalmente se utilizan unos circuitos denominados Puente de Wheatstone para medirlos, que traducen los pequeños cambios en la resistividad del sensor a un mayor cambio, detectable con instrumentación electrónica. Magnetorresistivo Se definen como magnetorresistivos a aquellos sensores que en los que la resistividad del material cambia en presencia de un campo magnético. Su propósito es detectar campos magnéticos. Un ejemplo de magnetorresistencia se observa en la figura 1.6, en la que una resistencia eléctrica es fabricada a partir de un material magnetorresistivo y situada en un circuito eléctrico. Figura 1.6: Concepto de magnetorresistencia.

32 10 Capítulo 1. Introducción Termorresistencia La mayoría de los materiales resistivos son sensibles a cambios de temperatura ambiente, lo que muchas veces produce un error en la aplicación del sensor, por lo que se hace necesario introducir un circuito de compensación para eliminar los efectos de la temperatura en caso de que el único fenómeno en el que estemos interesados sea el estrés, la presión o el campo magnético. En la figura 1.7 podemos observar el concepto del comportamiento de una termorresistencia. Figura 1.7: Concepto de termorresistencia Sensores Capacitivos Una diferencia de tensión entre dos conductores superpuestos separados por un material no conductivo (aislante) provoca una acumulación de carga en los conductores. La capacidad es la característica que relaciona la carga con la tensión. Con una relación q = C e, donde q es la carga, C es la capacidad, y e es la tensión. El concepto básico se observa en la figura 1.8 Figura 1.8: Concepto de Condensador. El modo más común de convertir un condensador en un sensor capacitivo suele ser desplazando una de las placas del condensador, de tal forma que el área de

33 1.3. Clasificación de Sensores MEMS 11 superposición varía. La mayoría de sensores MEMS capacitivos comerciales son los que miden aceleración o presión. El valor de la capacidad C está determinado por tres parámetros físicos: el área de superposición, la distancia entre placas, y la permitividad del material entre placas Sensores Piezoeléctricos Al presionar un material piezoeléctrico este produce una carga eléctrica. Este efecto es reversible, es decir, si se aplica una diferencia de tensión sobre el piezoeléctrico, este se deforma. Lo que significa que se puede utilizar tanto como sensor como actuador. Normalmente se utiliza como medida de magnitudes físicas tales como presión o aceleración. En la figura 1.9 se observa un ejemplo sensor piezoeléctrico. Figura 1.9: Concepto de Sensor Piezoeléctrico. En el caso de estos sensores, la carga está dada por q = C d 33, donde d 33 es la constante piezoeléctrica en la dirección del eje Z, perpendicular a los electrodos. Por lo que existirán constantes piezoeléctricas diferentes en diferentes ejes si el material es anisotrópico Sensores Resonantes Resonancia es la tendencia de algunos sistemas de producir grandes amplitudes a ciertas frecuencias (frecuencia de resonancia). En un sensor resonante, el componente físico que oscila a la frecuencia de resonancia se le llama resonador, y a menudo es una fina estructura mecánica como un haz que vibra produciendo unos pequeños desplazamientos a altas frecuencias. Se pueden distinguir dos tipos de resonadores, en función de a qué afecta la medida, es decir, si afecta a la frecuencia de vibración o a la amplitud de vibración.

34 12 Capítulo 1. Introducción Resonador de frecuencia variable: detección de tensión En la figura 1.10 podemos observar un resonador que responda a una entrada mecánica. Si el resonador está vibrando, el aumento de la rigidez aumenta la frecuencia de resonancia. Figura 1.10: Concepto de Sensor Resonante de frecuencia variable. El sensor resonante incluye tanto un actuador para excitar el resonador y un sensor de frecuencia para medir la vibración. El actuador provoca al resonador vibrar a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia. Por lo que entonces la amplitud de la vibración es lo suficientemente grande como para que el sensor de frecuencia sea capaz de medirla. Utilizando un sistema de realimientación, el sensor de frecuencia sintoniza con precisión la frecuencia de excitación del actuador. Tanto el actuador como el sensor son subsistemas MEMS. El actuador puede ser un piezoeléctrico, un sistema magnético u óptico, mientras que el sensor puede ser piezoeléctrico o piezoresistivo.

35 1.3. Clasificación de Sensores MEMS 13 Resonador de amplitud variable: detección de campo magnético En la imagen 1.11 se puede observar un resonador que responde ante un campo magnético. En este tipo de sistemas, el haz se diseña para resonar a la misma frecuencia constante. A través del haz se hace circular una corriente alterna (AC). Figura 1.11: Concepto de Sensor Resonante de amplitud variable. La interacción entre la corriente y el campo magnético produce una fuerza de Lorentz F que actua doblando el haz. La dirección de la fuerza es perpendicular a la dirección de la corriente y el campo. La magnitud de esta fuerza es función de la corriente, la longitud del haz y la fuerza del campo magnético. Esta variación de la fuerza de Lorentz, hace variar la amplitud del haz, que es medido a su vez con un sensor óptico Sensores Termoeléctricos En los materiales termoeléctricos, el flujo de energía calorífica produce un efecto de tensión distribuida entre dos puntos. Este efecto es reversible, es decir, si aplicamos una diferencia de potencial a través de un material termoeléctrico se produce una diferencia de temperatura. Por lo que se puede utilizar tanto como sensor como actuador (utilizándolo para enfriar). El efecto termoeléctrico (o efecto Seebeck) se puede observar en la figura Partiendo de un cable hecho de material termoeléctrico, si fijamos un extremo a una fuente de calor para absorber el calor y el otro extremo a un disipador para disiparlo, el calor fluirá desde la fuente al sumidero. Entre ambos puntos encontramos una diferencia de tensión e que es función de la temperatura T entre esos dos puntos.

36 14 Capítulo 1. Introducción Figura 1.12: Efecto termoeléctrico. El efecto termoeléctrico es la base de la tecnología de los termopares para medir temperatura. Un termopar se basa en dos cables de diferente material termoeléctrico conectados a los mismos puntos por los extremos. La tensión de salida es función del material y de la diferencia de temperatura entre los extremos. En caso de necesitar aumentar la tensión de salida, se pueden juntar varios termopares en serie creando una termopila Sensores Magnéticos A pesar de que ya se han tratado algunos sensores que utilizan un principio de funcionamiento parecido, a continuación, se introducirán los sensores en los cuales los efectos magnéticos o inductivos subyacen al principio de funcionamiento del sensor. Los efectos de transducción magnéticos se puede clasificar en dos categorías: transducción por reluctancia, basada en los cambios en la energía almacenada en un campo magnético; o por transducción inductiva, basada en la interacción de las partículas cargadas en un campo magnético. En la figura 1.13 se puede ver un ejemplo de ambas. Sensado de Reluctancia Este tipo de sensado está basado en la resistencia que posee un material al paso de un flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético, que es la definición de reluctancia. Por lo tanto este tipo de sensores se basan en cambios en la energía magnética almacenada. El valor de la reluctancia está determinado por tres parámetros físicos: el área, la distancia de separación y la permeabilidad magnética. Sensado Inductivo Está basado en la interacción entre partículas cargadas en presencia de un campo magnético, estas partículas se expresan en forma de corriente en un conductor o moviéndose en un fluido conductivo.

37 1.4. Sensores Químicos MEMS 15 (a) Concepto del sensado por reluctancia (b) Tensión generada por el efecto Hall Figura 1.13: Sensores Magnéticos. Si una espira conductora funciona mediante una fuerza y es libre de moverse en un campo magnético, una corriente se crea o se induce en la espira. Las fuerzas que se producen como resultado del movimiento de las partículas cargadas en un campo magnético están bajo la operación de un sensado por efecto Hall. Los sensores por efecto Hall se utilizan comúnmente como sensores de proximidad. Con este tipo de sensado podemos medir cualquier medida mecánica que cree un desplazamiento entre el campo magnético y el conductor Sensores Químicos MEMS Durante este apartado se explicarán con más detalle los sensores químicos, atendiendo a la bibliografía estudiada, haciendo especial énfasis a los sensores sobre los que se basa el diseño de este trabajo. La detección de las moléculas o componentes químicos es una tarea de interés general para conocer aspectos cualitativos o cuantitativos de un componente químico específico. Las áreas de aplicación más típicas en cuanto a los sensores químicos MEMS son el sensado de la humedad mediante películas de poliimida, ya que el agua tiene una constante dieléctrica relativamente alta a temperatura ambiente, produciendo (para los sensores químicos capacitivos) grandes cambios en la capacidad. En aplicaciones más recientes se ha utilizado para la detección de diferentes tipos de compuestos orgánicos volátiles en fase gaseosa (hidrocarburos, alcoholes, etc.) usando películas de polímeros o cristales líquidos, y la detección de NO, NO 2, SO 2 y CO 2.

38 16 Capítulo 1. Introducción A menudo, los sensores químicos consisten en una capa sensible o revestimiento y un transductor. Tras la interacción con un compuesto químico (como absorción, reacción química o transferencia de carga), las propiedades fisicoquímicas de la capa (como su masa, volumen, propiedades ópticas o resistencia) varían (ver figura 1.14). Estos cambios en la capa sensible se detectan por el transductor respectivo y se trasladan a una señal eléctrica en forma de frecuencia, corriente o tensión. Figura 1.14: Definición y estructura de un sensor químico. Dependiendo de las necesidades químicas de sensado, existe una gran variedad de transductores basados en los principios físicos. De esta forma, los sensores químicos se pueden clasificar en cuatro categorías principales de acuerdo a sus principios de transducción: 1. Sensores químico-mecánicos (por ejemplo, cambios en la masa debido a la absorción). 2. Sensores térmicos (cambios en la temperatura a través de interacciones químicas). 3. Sensores ópticos (cambios en la intensidad de la luz debido a la absorción). 4. Sensores electro-químicos (cambios en el potencial o en la resistencia a través de la transferencia de carga). Como se ha presentado, existen multitud de tipos de sensores químicos, en nuestro caso nos vamos a centrar sobre los sensores de tipo electro-químico. Este tipo constituye el grupo más grande y antiguo dentro de los sensores de tipo químico. Estos hacen uso de reacciones electro-químicas o de transferencia de carga del tipo: A + + e A. La electro-química incluye la transferencia de carga desde un electrodo a una muestra en fase sólida o líquida y viceversa. Los cambios químicos tienen lugar en los electrodos en una probeta con un volumen de la muestra, de tal forma que se mide la carga o la corriente resultante.

39 1.4. Sensores Químicos MEMS 17 Un requerimiento clave para los sensores electro-químicos es estar cerca de un circuito electrónico, aunque puede ser que no haya flujo de corriente. Una celda electro-química está siempre compuesta de al menos dos electrodos con dos conexiones eléctricas: una para la muestra, y otra para el transductor y equipo de medida. El transporte de carga en la muestra puede ser iónico, electrónico, o una mezcla; por lo que el transductor siempre requerirá de electrónica. Los sensores electro-químicos siempre se clasifican de acuerdo a sus principios electro-analíticos: Voltametría. Potenciometría. Conductometría. Este trabajo se centrará en los sensores de tipo conductométricos. Las técnicas conductométricas son un caso especial de técnicas de alta impedancia en AC (Corriente Alterna). En lugar de una parte real e imaginaria de la impedancia del electrodo a diferentes frecuencias, sólo la parte resistiva (parte real), que corresponde al material sensible, es de interés. Debido a que las impedancias complejas incluyen contribuciones capacitivas e inductivas, los sensores químicos capacitivos que no se basan en el efecto campo se incluyen en este tipo de sensores. Por lo tanto, lo sensores conductométricos se clasifican en dos tipos, sensores químicos resistivos y capacitivos. Como ya se ha explicado, el presente trabajo se concentrará en los sensores químicos capacitivos. Los sensores químicos capacitivos(dielectrómetros) se basan en cambios en las propiedades dieléctricas del material sensor ante la exposición de un analito. La estructuras más típicas son las interdigitales análogas a los sensores químicos resistivos utilizados a temperatura ambiente. En algunos casos, como el planteado en el presente trabajo, se utilizan condensadores basados en estructuras plano-paralelas con un dieléctrico entre ambas placas para aumentar la sensibilidad. Las capacidades normalmente se miden a unas frecuencias de AC de unos 500 khz. Se producen dos cambios en la capacidad de un sensor con una capa polimérica debido a la absorción de un analito: 1. Inflamación 2. Cambios en la constante dieléctrica debidos a la incorporación de moléculas del analito en la matriz del polímero. Para una estructura interdigital simple cualquiera, el espacio que contiene el 95 % de las líneas de campo incluye el volumen del polímero con una distancia de la mitad de la periodicidad de los electrodos. Para el espesor de una capa de la mitad de la periodicidad, la inflamación de un polímero ante la absorción de un analito siempre resulta en un aumento de la capacidad medida, sin tener en cuenta la constante dieléctrica del analito (ver ecuación 1.2). Los resultados del aumento

40 18 Capítulo 1. Introducción del volumen del polímero/analito en la región de las lineas de campo exhiben una mayor constante dieléctrica que el aire. El cambio en la capacidad para un espesor de una capa de polímero de la mitad de la periodicidad de los electrodos se determina por la razón de la constante dieléctrica, ε A (el analito se asume en fase líquida), y el polímero, ε poly (ecuación 1.1). Si la constante dieléctrica del polímero es menor que la del analito, entonces la capacidad aumentará. Por el contrario, si la constante dielectrica del polímero es mayor, la capacidad disminuirá (ver figura 1.15). Estos efectos se describen por ε eff = ε poly (1 V F A c A ) + ε A V F A c A (1.1) h eff = h(1 + S A c A ) (1.2) Figura 1.15: Cambio en la respuesta en frecuencia de un conmutador capacitivo ante diferentes analitos[2]. Donde ε eff es la constante dieléctrica efectiva del sistema polímero/analito, ε poly es la constante dielectrica del polímero, c A la concentración del analito en la fase gaseosa, V F A es la fracción del volumen del analito en el polímero por unidad de concentración en fase gaseosa, h eff es el espesor efectivo del polímero después de la absorción del analito y S A es la inflamación experimental del polímero por concentración en fase gaseosa del respectivo analito. En cuanto a qué analitos se pueden monitorizar a través de sensores MEMS, existe una enorme variedad. Y estos dependerán de la lámina sensible que se utilice. Entre los analitos más comunes está el CO 2, O 2, partículas en suspensión, compuestos orgánicos volátiles (VOC), humedad relativa, etc. Uno de los compuestos más típicos para utilizar como elemento sensible a los compuestos químicos son los polímeros.

41 1.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseño para MEMS Algunas Foundries y Reglas de Diseño para MEMS En esta sección se van a explicar las diferentes tecnologías existentes para la fabricación de MEMS que provee Europractice[15]. Sin embargo existen multitud de procesos de fabricación, que ante su elevado precio y difícil acceso, no se van a tratar en el presente trabajo. Existen multitud de dispositivos MEMS que se comportan como sensores químicos, sin embargo, estos se han fabricado a través de procesos customizados, es decir, en los cuales la tecnología ha sido adaptada específicamente para satisfacer necesidades concretas[23, 24, 25, 26]. En primer lugar se explicarán brevemente las reglas de diseño para los procesos específicos de cada foundry Tronics Microsystems Tronics Microsystems es una foundry altamente diferenciado con un gran valor añadido dentro de la personalización de microsistemas y dispositivos MEMS, además es uno de los líderes en la fabricación de dispositivos MEMS en Silicon- On-Insulator(SOI). El servicio MEMSOI proporciona acceso a Tronics de 60µm de espesor SOI micromaquinado de alta relación de aspecto (SOI-HARM). La tecnología fue desarrollada para la fabricación de sensores inerciales personalizados de alto rendimiento(acelerómetros y giroscopios). En la figura 1.16 se presenta una sección de una oblea de esta tecnología. Utilización de la tecnología MEMSOI El servicio MEMSOI que Tronics proporciona a través de Europractice tiene como objetivo crear, caracterizar y evaluar estructuras y diseños MEMS antes de pasar a producción. Esta tecnología es adecuada para: Sensores capacitivos (acelerómetros, giróscopos, sensores de fuerza). Actuadores electromagnéticos (actuadores electricos u ópticos, pinzas,...). Resonadores y sensores resonantes. Estructuras micromecánicas de precisión y estructuras microfluídicas como canales y filtros.

42 20 Capítulo 1. Introducción Figura 1.16: Sección de la oblea en tecnología Tronics. Para la realización del tipo de sensores en el que nosotros estamos interesados (sensores químicos capacitivos de placas plano-paralelas) no podriamos utilizar este tipo de tecnología ya que está especialmente indicada para estructuras con una alta relación de aspecto, es decir, que sean estructuras muy gruesas comparado con su largo y ancho MEMSCAP MUMPs El proceso de fabricación de MEMS Multi-usuario, o MUMPs (Multi-User MEMs Processes), es un programa establecido que lleva funcionando desde Alrededor de 80 procesos se han completado con mas de 100 organizaciones diferentes. MEMSCAP ofrece tres únicos procesos multi-máscara para MEMS en MUMPs : PolyMUMPs, SOIMUMPs, y MetalMUMPs. Los procesos de MUMPs son los más ampliamente utilizados como veremos en secciones posteriores, ya que son procesos de bajo coste y con una velocidad en la entrega de los dispositivos fabricados muy rápida. Los procesos son procesos estándar por lo que están bien documentados. Además, se permiten hacer pequeñas modificaciones en el material utilizado en las capas así como en los espesores de dichas capas.

43 1.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseño para MEMS 21 PolyMUMPs PolyMUMPs es el servicio mas longevo de todos los multi-proyectos MEMS sobre obleas, con más de una década de historia. Desde la fundación de programa MUMPs, PolyMUMPs ha liderado la idea de la aproximación de un proceso estándar buscando un camino claro hacia una funcionalidad y un volumen de producción. A principio de los años 90, PolyMUMPs era una de las pocas alternativas disponibles para los diseñadores de MEMS; como consecuencia, el servicio fue de los pioneros en la creación de dispositivos innovadores. Hoy día, PolyMUMPs tiene un cometido mucho más amplio como programa o proceso que puede dar soporte a una gran variedad de iniciativas. Figura 1.17: Sección de la oblea en tecnología PolyMUMPs[3]. Muchas universidades utilizan hoy el servicio como una forma de comenzar en el aprendizaje del diseño de MEMS utilizando PolyMUMPs como proceso de ejemplo. Los chips de PolyMUMPs sirven también como una librería de bloques estandar para sistemas mayores donde el chip MEMS es sólo una pieza dentro del sistema global. El hecho de que las propiedades y las características de los materiales de las diferentes capas de PolyMUMPs estén bien documentados y sean predecibles supone una gran ventaja para utilizar los MEMS como un componente más. PolyMUMPs es un proceso de micromecanizado de sustrato y micromecanizado superficial de 3 capas, con 2 capas de sacrificio y una capa de metal (ver figura 1.17). Ocho niveles de máscara crean 7 capas físicas. Entre los dispositivos que se pueden fabricar con PolyMUMPs se incluyen: Acústicos (micrófonos). Sensores. Acelerómetros. Microfluídicos.

44 22 Capítulo 1. Introducción Robóticos. Tecnologías de visualización. En la figura 1.18 podemos ver un ejemplo de un micro-actuador electrostático fabricado en PolyMUMPs. Figura 1.18: Micro-actuador electrostático MEMS fabricado en PolyMUMPs[4]. Este tipo de proceso de fabricación será el elegido para el diseño de nuestro sistema de microsensores MEMS. PolyMUMPs lleva ya cerca de 90 runs de historia y la fiabilidad que ha alcanzado el proceso durante los años que lleva funcionando garantiza la correcta fabricación de nuestros sensores capacitivos. Los espesores por defecto de cada una de las capas que constituyen PolyMUMPs se puede observar en la tabla 1.2. En el anexo A se explica de forma detallada el proceso de fabricación de esta tecnología. Capa Nitruro Poly 0 Óxido 1 Poly 1 Óxido 2 Poly 2 Metal Espesor 0.6 [µm] 0.5 [µm] 2.0 [µm] 2.0 [µm] 0.75 [µm] 1.5 [µm] 0.5 [µm] Tabla 1.2: Espesores de las diferentes capas del proceso PolyMUMPs.

45 1.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseño para MEMS 23 SOIMUMPs SOIMUMPs se introdujo en el mercado en el año Al contrario que Poly- MUMPs, el proceso de SOIMUMPs surgió como un desarrollo para un producto de un atenuador óptico variable de MEMSCAP, lo que ha hecho que se redefina hoy día para poder usarlo en un entorno multi-usuario. SOIMUMPs comienza sobre una oblea de silicio sobre aislante (SOI), que consiste en una pila compuesta de la propia oblea (de 400µm), una capa de óxido enterrada, y la oblea para el dispositivo. El espesor de la oblea del dispositivo puede ser de 10µm ó 25µm de forma que el diseñador puede elegir el espesor que más le convenga (incluso puede pedir dispositivos de ambos de espesores por un coste adicional). Usando la técnica de la fotolitografía en cada lado de la oblea de SOI, SOIMUMPs permite al diseñador grabar un patrón en ambas caras de la oblea de SOI, consiguiendo realizar agujeros que permita a la luz atravesar la oblea. Existen dos capas de metal, una para el bonding de los pads y otra para la reflectividad, que se incluyen en el proceso estándar. El tamaño mínimo en SOIMUMPs es de 2µm. En la figura 1.19 se puede ver una sección de la oblea de SOIMUMPs. Figura 1.19: Sección de la oblea en tecnología SOIMUMPs[5]. Entre los dispositivos que se pueden fabricar con SOIMUMPs se incluyen: Giróscopos. Dispositivos ópticos. Dispositivos para visualización. En la figura 1.20 se presenta un ejemplo un de MEMS diseñado en tecnología SOIMUMPs.

46 24 Capítulo 1. Introducción Figura 1.20: Ejemplo de una micropinza electroestática MEMS fabricada en SOIMUMPs[6]. SOIMUMPs no es tan versátil a la hora de plantear una estructura capacitiva de tipo plano-paralela ya que no dispone de varios tipos de polisilicios con el que poder poner a dos niveles los diferentes electrodos. Además, este no nos permitiría hacer cavidades tan pequeñas que puedan contener el polímero. MetalMUMPs MetalMUMPs se introdujo en el mercado en el año Al igual SOIMUMPs, el proceso para MetalMUMPs fue un descendiente de un producto de MEMSCAP (en este caso un micro-relé), que con el tiempo se ha ido redefiniendo. En la figura 1.21 se puede ver una sección de la oblea de MetalMUMPs. Figura 1.21: Sección de la oblea en tecnología MetalMUMPs[7].

47 1.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseño para MEMS 25 MetalMUMPs incorpora los tres mayores procesos en la fabricación de MEMS: LIGA, electroplating de metal así como el bulk y surface micromachining. Se pueden construir estructuras altas de Niquel, entre 18µm y 22µm, encima del polisilicio y el nitruro. El polisilicio dopado se puede utilizar para hacer resistencias, así como estructuras mecánicas o ruteado eléctrico. La capa de Nitruro se utiliza como capa de aislamiento eléctrico. El óxido depositado mediante PSG se utiliza para las capas de sacrificio. El tamaño mínimo para el MetalMUMPs es de 5µm. Las aplicaciones que se puede realizar con MetalMUMPs son por ejemplo: Relés. Microfluídica. Conmutadores magnéticos. Dispositivos de RF. Un ejemplo de diseño realizado sobre MetalMUMPs es el de la figura 1.22 Figura 1.22: Ejemplo de un condensador variable fabricado en MetalMUMPs[8]. Este proceso tampoco sería interesante para nuestro diseño puesto que está orientado para hacer electroplated nickel micromachining, contando además con un único polisilicio con lo que no podríamos plantear estructuras de dos planos de polisilicio como estamos interesados.

48 26 Capítulo 1. Introducción 1.6. Motivación En la actualidad, la monitorización de parámetros químicos tanto en situaciones industriales, así como en ambientes de trabajo o incluso hogares es de gran interés para la comunidad científica. Para ello, se trata de diseñar unidades capaces de sensar dichos parámetros reduciendo al máximo sus dimensiones. Ante esta creciente necesidad aparecen los sistemas electromecánicos y los MEMS. Estos micro-dispositivos permitirán (en este caso concreto) diseñar micro-sensores para la monitorización de parámetros químicos. En este proyecto se pretende diseñar un sistema MEMS de microsensor químico de placas plano paralelas basado en un proceso multi-usuario (MPW). Se pretende además diseñar el circuito integrado de acondicionamiento de señal correspondiente basado en una tecnología de 0.35 um Objetivos El objetivo principal de este proyecto es el diseño y simulación de un sistema de microsensores basados en MEMS. Por lo tanto, este proyecto se centrará en dos partes complementarias entre sí: El diseño del sensor químico MEMS capacitivo en tecnología PolyMUMPs. El diseño del circuito de acondicionamiento de la señal del sensor en tecnología AMS de 0,35µm. En lo referente al sensor capacitivo, se diseñarán diferentes estructuras geométricas de un condensador placas plano-paralelas utilizando tecnología MEMS. Una vez diseñadas dichas estructuras, se simulará mediante un software de elementos finitos(fem) el comportamiento de dichos sensores con diferentes polímeros(dieléctricos), que actuarán como elementos sensores del sistema, ante diferentes analitos. Es importante aclarar, que la deposición de dicho dieléctrico se haría en caso de una fabricación real mediante una impresora de inyección de tinta, como postprocesado de los dados una vez recibidos de la foundry. Una vez diseñado y simulado el sensor MEMS, y seleccionado el polímero con el que obtener el mejor rendimiento y comportamiento del sensor, se procederá a diseñar el circuito de acondicionamiento con el que monitorizar los cambios de capacidad del sensor químico. Finalmente, se presentará el layout del sensor MEMS de tipo capacitivo capaz de medir elementos o compuestos químicos.

49 Capítulo 2 Estado del arte de los sensores MEMS químicos Contenidos 2.1. Sensores Resistivos Sensores Capacitivos Interdigitales Placas Plano Paralelas Otros tipos

50 28 Capítulo 2. Estado del arte de los sensores MEMS químicos Durante el presente capítulo haremos una descripción sobre diferentes sensores químicos, centrándonos con especial atención en aquellos sensores químicos basados en polímeros. Se han desarrollado númerosas técnicas para la sensorización química durante los años, intentando trabajar a escalas reducidas y utilizando materiales poliméricos como elementos sensibles a los compuestos químicos o analitos en cuestión Sensores Resistivos Lo sensores basados en polímeros utilizan finas capas de compuestos poliméricos como materiales sensores para monitorizar cambios ambientales. En los sensores resistivos basados en polímeros convencionales, cada compuesto polimérico utiliza una variedad de polímeros aislantes junto con un relleno conductivo. Para estos detectores, el método clásico para evaluar el sensor es medir la resistividad de la película sensora. De hecho, la conductividad en los sistemas eléctricos surge del relleno conductivo depositado en los polímeros aislantes, mientras que la sensibilidad del sensor depende de las propiedades del polímero aislante, un ejemplo de esto es el trabajo de Munoz et al.[9], que muestra como en presencia del analito en cuestión, el polímero aislante aumenta su tamaño, produciendo un aumento en la resistencia. Una vez expuesto a un vapor, las propiedades físicas del polímero aislante cambian debido a la absorción de las moleculas del analito. La interación del polímero con cualquier analito depende del grado de absorción del polímero. Por lo tanto, diferentes polímeros mostrarán diferentes respuestas ante el mismo analito[27]. Cuando se utilizará en un array de sensores, como en el trabajo de Lonergan et al., las variaciones en las propiedades de un polímero individual pueden ser tilizadas para detectar parámetros que permitan identificar una amplio rango de partículas volátiles [28]. Otro interesante trabajo que refleja este comportamiento, es el llevado a cabo por Kröger et al.[29], en el que se realiza un sensor impreso utilizando polímeros para luego hacer la lectura de estos sensores aplicando técnicas de voltametría. El mecanismo de transducción de estos compuestos poliméricos puede describirse con la teoría de la percolación [30, 31]. Basado en la teoría de la percolación, la resistividad, ρ, de un película de un compuesto polimérico aislante con un relleno de carbón negro se puede aproximar por la ecuación 2.1 [31]. donde: (z 2)ρ c ρ m ρ = A + B + [(A + B) 2 + 2(z 2)ρ c ρ m ] 1 /2 (2.1) A = ρ c [ 1 + ( z /2)[1 ( νc /f)]] (2.2) B = ρ m [( zνc /2f) 1] (2.3)

51 2.1. Sensores Resistivos 29 En estas ecuaciones, ρ c es la resistividad del relleno conductivo (carbón negro), ρ m es la resistividad del polímero aislante, ν c es el volumen de la fracción de carbón negro en el compuesto, z es el número de particulas en el carbón negro, y f es la fracción total (ν c < f). A partir de las ecuaciones 2.1 y 2.3, se obtiene el umbral de percolación: ν p = 2f z (2.4) que sugiere que los sensores de alta ganancia se pueden fabricar de tal forma que trabajen cerca del umbral de percolación, ν p. Basado en la teoría de la percolación, para aquellas peliculas donde la fracción del volumen del carbón negro en el compuesto inflamado permanece mayor que el umbral de percolación, una diferencia de resistividad a un nivel dado de aumento de inflamación con una disminución del carbón negro. Por lo tanto, la magnitud de la respuesta diferencial puede ser manipulada a través de la fracción del volumen del carbón negro[32]. Sin embargo, esto puede introducir dificultades en la fiabilidad y repetitividad del sensor. En la figura 2.1 se observar un esquemático que muestra la inflamación del polímero aislante que provoca un cambio en la resistencia en sensores basados en polímeros convencionales. Figura 2.1: Esquema del cambio de resistividad[9]. Exponiendo este tipo de sensores a un analito cualquiera, algunas moléculas de dicho analito penetran dentro de los polímeros aislantes y provocan una expansión de la película. Esta expansión reduce el número de caminos conductivos para los portadores de carga, dando lugar a un aumento en la resistencia eléctrica del compuesto polimérico. La respuesta es normalmente medida como una resistencia diferencial relativa (Rmax R0) /R 0, donde R 0 es la resistencia base en un ambiente seco, o de

52 30 Capítulo 2. Estado del arte de los sensores MEMS químicos cualquier otro gas inerte, y R max es la resistencia en la atmósfera del analito en estado de equilibrio. Otro trabajo realizado por Bai y Shi muestra otro sensor de gas basado en polímeros conductivos [10] (ver figura 2.2). Este tipo de diseños son bastante frecuentes, en los que se modifica el polímero para adaptarlo al analito de interés en cada caso [33]. Figura 2.2: Esquemático sensor de gas con polímeros conductivos[10]. Este tipo de sensores son muy utilizados en la actualidad debido a que la geometría así como la fabricación del sensor es relativamente sencilla, la dificultad suele residir en la deposición del polímero [34, 35, 36] Sensores Capacitivos Los sensores químicos capacitivos podemos diferenciarlos en dos grupos: 1. Interdigitales. 2. Placas Plano Paralelas Interdigitales Igreja y Dias[37] llevaron a cabo un estudio analítico del comportamiento de las capacidades interdigitales, que se puede resumir en la ecuación 2.5. C = (N 3) C I C IC E C I + C E conn > 3 (2.5) donde N es el número de electrodos, C I es la mitad de la capacidad de un electrodo interior relativo al potencial de tierra y C E es la capacidad de electrodo exterior relativo al plano de tierra. En la figura 2.3, se puede observar la capacidad de un condensador con 6 fingers.

53 2.2. Sensores Capacitivos 31 Figura 2.3: Condensador interdigital formado por 6 fingers. La utilización de una estructura interdigital permite detectar un cambio en la permitividad o una inflamación basandose en un aumento del espesor del polímero [38, 39, 40, 41]. (a) Antes de la deposición del polímero[38]. (b) Comportamiento del polímero[39]. Figura 2.4: Estructuras interdigitales. En las figuras 2.4(a) y 2.4(b) se muestran unos esquemas de estructuras interdigitalizadas, y cómo el aumento del polímero debido a la detección del analito modifica las líneas de campo. Posteriormente, Lazarus et al.[11] desarrollan varias estructuras (plano paralelas e interdigitales) para el desarrollo de un sensor de humedad, todo esto dentro de un proceso CMOS(fig. 2.5). Uno de los últimos trabajos desarrollados en la actualidad son los pertenecientes a Oikonomou et al.[42, 43, 44], en los que se presenta un array de sensores MEMS capacitivos también basados en polímeros como elementos sensibles a la concentración de compuestos orgánicos volátiles, todo ello realizado con una estructura interdigitalizada.

54 32 Capítulo 2. Estado del arte de los sensores MEMS químicos Figura 2.5: Diseños de sensores de humedad en proceso CMOS[11] Placas Plano Paralelas El comportamiento de este tipo de sensores se rige básicamente por la ecuación 2.6. Los primeros sensores químicos capacitivos fueron sensores de humedad en los cuales los dos electrodos estaban separados por una pelicula de poliimida[45, 46]. En este caso, el agua aumenta la permitividad de la poliimida, produciendo un aumento de la capacidad del sensor. C = ε 0 ε r A (2.6) d Para permitir que los analitos tengan acceso al polímero, el electrodo superior debe de tener poros. Una de las formas de hacer esto, es utilizar una pelicula ultrafina de metal como por ejemplo oro [47], un electrodo de esta naturaleza es transparente a la humedad por ejemplo. Otra forma de hacer estos poros es grabar unos simples agujeros en la capa superior [46]. Existen muchos casos en los que los sensores químicos se fabrican utilizando procesos y circuitería CMOS para mejorar así el 1 % de la humedad relativa [48, 49]. Un tipo diferente de condensadores de plano paralelas se han desarrollado para detectar cambios en la permitividad del dieléctrico llevados a cabo por Patel et al.[12, 50, 51]. En este caso el polímero sensible químicamente se utiliza como dieléctrico que separa ambos electrodos, como se ve el diseño presentado en la figura 2.6. En este caso, la deposición del los diferentes polímeros se realizaba utilizando una impresora de inyección de tinta. Este va a ser uno de los principales trabajos en los que se basará el presente trabajo. Ademas, el trabajo de Patel et al. también presentaba un circuito que hacía la lectura del sensor mediante un amplificador de carga.

55 2.3. Otros tipos 33 Figura 2.6: Propuesta de diseño de sensor químico capacitivo[12]. Existen otros trabajos que realizan sistemas integrados de sensores, como el de Hautefeuille et al. [17], que incluyen sensores de gases, temperatura y humedad, siendo sólo este último el basado en polímeros, utilizando la poliimida como elemento sensible a la humedad. En este caso, en vez de utilizar una estructura porosa en el electrodo superior, se diseñó una estructura interdigital para el electrodo superior, para así permitir y facilitar al polímero la absorción de la humedad. En este caso, el sensor de gas, se basó en un diseño de un sensor termoconductivo y el de temperatura en uno resitivo Otros tipos Dentro de aquellos otros grupos de sensores químicos basados en la deposición de polímeros, se puede destacar el trabajo de Maute et al.[13]. Este sensor se basa un diseño de tipo micropalanca, la cual contiene en su extremo un polímero sensible a un determinado analito, el cual, al absorber dicho analito, se expande y modifica la frecuencia de resonancia de la micropalanca (ver figura 2.7). La utilización de sistemas basados en micropalanca es muy frecuente para la detección química [24].

56 34 Capítulo 2. Estado del arte de los sensores MEMS químicos Figura 2.7: Esquemático del sistema sensor realizado por Maute et al.[13]. El objetivo de este sensor era la monitorización de compuestos orgánicos volátiles. De la misma forma Baimpos et al. [52] también desarrollaron un sensor basado en la modificación de la frecuencia de resonancia al detectar los compuestos[10].

57 Capítulo 3 Propuesta de diseño de Microsensores MEMS Contenidos 3.1. Diseño Estructura cuadrada Estructura Circular Estructura Hexagonal Simulación en COMSOL Resultados Sensor Cuadrado Sensor Circular Sensor Hexagonal Conclusiones Layout

58 36 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS Durante este capítulo se mostrará el diseño del sensor MEMS químico de tipo capacitivo. Además, se expondrán los diferentes polímeros estudiados y los analitos correspondientes que son capaces de sensar Diseño Como se ha comentado en el capítulo anterior, para llevar a cabo nuestro diseño, se ha partido principalmente de los trabajos del grupo de trabajo Patel et al.[12, 50, 51]. En el caso del presente proyecto, se han diseñado tres estructuras diferentes de sensores capacitivos de placas plano paralelas: Cuadrada Hexagonal Circular En primer lugar, abordaremos cada uno de los diferentes diseños y estructuras geométricas por separado, y a continuación presentaremos los estudios de cada polímero estudiado con su respectivo analito. El objetivo es realizar una comparación entre las diferentes estructuras planteadas así como las diferentes relaciones entre polímero y analito y elegir el mejor sensor sobre el que se planteará el diseño de la circuitería de acondicionamiento del capítulo 4. Todos los estudios asociados a los sensores MEMS se han realizado utilizando la herramienta de simulación por elementos finitos (FEM) COMSOL, mientras que el layout final del mejor sensor así como la simulación de su fabricación y revisión de la estructura fabricada en 3D se realizará utilizando CoventorWare. (a) COMSOL (b) CoventorWare Designer y Analizer Figura 3.1: Software empleado durante el diseño. Cabe destacar que para los sensores se han llevado a cabo dos tipos de simulaciones, una estacionaria para detectar la capacidad con el aire como dieléctrico y otra parametrizada en la que el parámetro fue la concentración del analito en cuestión. Todo ello también en COMSOL.

59 3.1. Diseño Estructura cuadrada Todos los sensores capacitivos desarrollados en este trabajo siguen una estructura de un condensador de placas plano paralelas, en la que las dos placas están constituidas de polisilicio, y donde el polímero en cuestión juega el papel del dieléctrico, que será el elemento sensor ante los diferentes analitos. Los parámetros geométricos que definen esta estructura se pueden observar en la tabla 3.1. A estas dimensiones se ha llegado a partir de realizar varias simulaciones con diferentes valores permitidos dentro de las reglas de diseño de PolyMUMPs. Dimensión Valor Área efectiva [µm 2 ] Lado [µm] Espesor Nitruro 0.6 [µm] Espesor Poly [µm] Espesor Poly [µm] Espesor Óxido [µm] Distancia entre capas 1.5 [µm] Apertura dieléctrico (lado) 15 [µm] Tabla 3.1: Parámetros geométricos del sensor cuadrado. La mayoría de estos tamaños y espesores están definidos por el proceso de fabricación de PolyMUMPs (ver tabla 1.2), aunque como se ha explicado, dicho proceso permite la modificación de algunos espesores así como añadir o intercambiar el material en algunas de sus capas a cierto coste a través de su proceso de customización (MUMPs Plus ); en el anexo A hay más información acerca del mismo. De esta forma, la estructura geométrica obtenida sería la de un sensor como el mostrado en la figura 3.2. Hay que tener en cuenta que en estos diseños sólo se presenta los diseños del sensor final, es decir, no se presentan las diferentes capas de sacrificio necesarias para obtener la estructura final deseada; que sí estarán presentes en el layout final. A pesar de que COMSOL representa todas las capas del mismo color, estas corresponden a las capas presentadas en la tabla 3.1. Por lo que únicamente tenemos polisilicio de tipo 0 y 1, el nitruro sobre el que se apoya el sensor y que lo aísla del silicio de la oblea, y los correspondientes polímeros que actuarán como dieléctricos y por lo tanto como elementos sensores. Como luego se podrá observar en la subsección 3.4.1, en el diseño y las simulaciones de COMSOL no se han añadido unos orificios en la capa de Poly1, ya que esto dificultaba mucho el mallado del sensor y aumentaba el número de grados de libertad. Estos orificios tienen dos propósitos: 1. Asegurar una mejor deposición del polímero que actua como dieléctrico. 2. Permitir a las moléculas del analito penetrar en el polímero.

60 38 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS (a) Perspectiva General. (b) Planta. (c) Perfil. (d) Alzado. Figura 3.2: Vistas del sensor cuadrado.

61 3.1. Diseño 39 Como se ha explicado, COMSOL es un software de elementos finitos, por lo tanto, es un requisito necesario hacer un mallado antes de realizar cualquier tipo de análisis. En nuestro caso se ha llevado a cabo un mallado automático, ya que al tratarse de una estructura simple, espesores no muy pequeños, y sobre todo, debido a que no hay deformaciones ni movimientos en el sensor, este tipo de mallado cumple perfectamente para realizar las simulaciones, tanto estacionarias como paramétricas. Por defecto, el tipo de elemento de mallado es el Quadrilateral, basado en la generación de hexaedros, sin embargo, nosotros hemos utilizado como elemento de mallado, tetraedros, ya que se ajustaba mejor para el sensor circular y hexagonal y funcionaba igualmente bien para la geometría cuadrada. El elemento mínimo era de 0.06µm y el máximo de 6µm. Una vez definida la estructura geométrica del sensor, se realizó también utilizando COMSOL, una simulación estacionaria con el aire (εaire 1) como material dieléctrico, con el fin de evaluar la capacidad del sensor sin ningún polímero. Obteniendo una capacidad de pF. Aplicando la ecuación 2.6 obtenemos una capacidad de pF, por lo que observamos que los resultados obtenidos de las simulaciones son correctos Estructura Circular A continuación, se procedió al diseño de una estructura geométrica diferente. Este tipo de geometría fue también utilizada en uno de los trabajos presentados durante el capitulo 2 [12]. En la tabla 3.2 se presentan las dimensiones del sensor circular diseñado, donde se han omitido los espesores al ser los mismos del sensor cuadrado. La estructuras de capas es también la correspondiente al proceso Poly- MUMPs. Se puede encontrar más información acerca de este proceso en el anexo A. Dimensión Valor Área efectiva [mm 2 ] Diametro 147 [µm] Apertura dieléctrico (diámetro) 15 [µm] Tabla 3.2: Parámetros geométricos del sensor circular. En la figura 3.3 se presentan las diferentes vistas del sensor circular. En este caso, como se puede observar, se ha realizado el orificio para la deposición del polímero también circular, de forma que este agujero fuese completamente concéntrico a la propia estructura circular del sensor. En las simulaciones estacionarias llevadas a cabo con esta estructura, hemos obtenido una capacidad del sensor con el aire como dieléctrico de pF. Según los cálculos de diseño esta capacidad debía de ser de pF, como se puede observar, el error es sólo de aproximadamente 5fF.

62 40 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS (a) Perspectiva General. (b) Planta. (c) Perfil. (d) Alzado. Figura 3.3: Vistas del sensor circular.

63 3.1. Diseño Estructura Hexagonal (a) Perspectiva General. (b) Planta. (c) Perfil. (d) Alzado. Figura 3.4: Vistas del sensor hexagonal.

64 42 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS Esta estructura se ha diseñado como complemento y comparativa a las propuestas anteriores. Sus diferentes vistas se pueden ver en la figura 3.4. El área de esta estructura es menor en comparación a los otros sensores. Los parámetros geométricos se pueden observar en la tabla 3.3. Dimensión Valor Área efectiva [µm 2 ] Lado [µm] Apertura dieléctrico (diámetro) 15 [µm] Tabla 3.3: Parámetros geométricos del sensor hexagonal. En este último caso en las simulaciones estacionarias se han obtenido una capacidad de pF, por lo que se observar que el valor de la capacidad está dentro del rango de las otras dos geometrías como cabía esperar Simulación en COMSOL Como ya se ha comentado previamente, COMSOL es un software de simulación por elementos finitos (FEM). Este tipo de herramientas son muy utilizadas debido a su generalidad y a la facilidad de introducir dominios de cálculo complejos. Además, el método es fácilmente adaptable a problemas de difícil resolución analítica tales como difusión de calor, mecánica de fluidos, cálculo de campos de velocidades y presiones (Dinámica de fluidos Computacional, CFD) o de campo electromagnético. Esta herramienta facilita todos los pasos del proceso de modelado desde la definición de la geometría, el mallado, hasta la visualización de los resultados. El modelo de organización es rápido, gracias a una serie de interfaces físicas predefinidas para aplicaciones que van desde el flujo de fluidos y la transferencia de calor a la mecánica estructural y el análisis electromagnético. Tanto las propiedades de los materiales como las condiciones de origen o las condiciones de contorno pueden ser funciones arbitrarias de las variables dependientes. Las plantillas predefinidas de aplicación multifísica permiten resolver muchos tipos de problemas comunes. Además existe la opción de elegir diferentes físicas y la definición de las interdependencias entre ellas o pueden especificarse sus propias ecuaciones en derivadas parciales (EDP) y vincularlas con otras ecuaciones y la física. Todo lo relativo a la simulación en COMSOL está separado como módulos (fig. 3.5), clasificado por el software clasifica como físicas (acústica, transferencia de calor, fluidos, radio frecuencia, etc.), concretamente para nuestro diseño se han utilizado dos de sus módulos: AD/DC El módulo de AC/DC permite modelar el comportamiento de los condensadores, bobinas, motores y microsensores. Aunque estos dispositivos se

65 3.2. Simulación en COMSOL 43 Figura 3.5: Módulos físicos de COMSOL. caracterizan principalmente por electromagnetismo, también se ven influenciados por otros tipos de fenómenos físicos. Los efectos térmicos, por ejemplo, pueden modificar las propiedades eléctricas de un material, mientras que las desviaciones electromecánicos y las vibraciones deben ser plenamente comprendidas en cualquier proceso de diseño de generadores. MEMS A escalas de longitud pequeñas, el diseño de resonadores, giroscopios, acelerómetros y actuadores se deben considerar los efectos de varios fenómenos físicos. El módulo MEMS proporciona interfaces de usuario para análisis electromagnético, térmico o la interacción fluidoestructura. Se pueden incluir una variedad de fenómenos de amortiguación, pérdidas en los materiales sólidos por factores anisotrópicos así como fenómenos piezoeléctricos. Este módulo se puede utilizar para hacer frente a prácticamente cualquier fenómeno relacionado con la mecánica a microescala. El módulo de AC / DC contiene un conjunto de interfaces adaptadas a una amplia categoría de simulaciones electromagnéticas y que resuelve problemas en las áreas generales de los campos electrostáticos, campos magnetostáticos y campos cuasi-estáticos. Electrostatics. Esta interfaz simula los campos eléctricos en materiales dieléctricos en presencia de una carga fija. Electric Currents. Esta interfaz simula la corriente en un material conductor y capacitivo cuando se encuentran bajo la influencia de un campo eléctrico. Electrical Circuit. Esta interfaz tiene las ecuaciones para el modelado de circuitos eléctricos con o sin conexiones a un modelo de campos distribuidos, resolviendo las tensiones, corrientes, y las cargas asociadas a los elementos del circuito.

66 44 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS Electrostatics Interface La interfaz de electrostática se emplea para aplicaciones de alta tensión, dispositivos electrónicos y condensadores. El término estática a que el tiempo de observación o escala de tiempo en el que se aplican cambios a la excitación es menor en comparación con el tiempo de relajación de carga y que la longitud de onda electromagnética y la profundidad de penetración son muy grandes en comparación con el dominio de interés. Bajo condiciones estáticas, el potencial eléctrico V se define por la relación: E = V (3.1) Combinando esta ecuación con la relación constitutiva D = ɛ 0 E + P, la ley de Gauss se puede representar en la ecuación 3.2. (ɛ 0 V P ) = ρ (3.2) Donde ɛ 0 es la permitividad en el vacio( F /m), P es el vector de polarización eléctrico( C /m 2 ),ρ es la densidad de carga espacial( C /m 3 ). Esta ecuación describe el campo electrostático en materiales dieléctricos. La interfaz electrostática resuelve la ecuación 3.3, donde d es el espesor en la dirección del eje z. d(ɛ 0 V P ) = ρ (3.3) Electric Currents interface Esta interfaz resuelve un problema de conservación de corrientes para el potencial escalar eléctrico. Al manejar corrientes eléctricas estacionarias en medios conductores se debe tener en cuenta la ecuación estacionaria de la continuidad. En un sistema de coordenadas fijas, la ley de Ohm en un punto se define en la ecuación 3.4. J = σe + J e (3.4) donde σ es la conductividad eléctrica( S /m) y J e es una densidad de corriente generada externamente ( A /m 2 ). La forma estática de la ecuación de continuidad se describe en la ecuación 3.5, generalizada en la 3.6. J = (σ V + J e ) = 0 (3.5) (σ V + J e ) = Q j (3.6)

67 3.3. Resultados Resultados A continuación, se muestra una relación de las propiedades y comportamiento de los polímeros utilizados en función de los analitos, obtenida a partir de los trabajos estudiados[12, 51, 17, 42], así podemos presentar la tabla 3.4, en la que se recogen la relación entre polímeros y analitos. Polímero PHEMA PEMA Poliimida HC AuHFA Adiol SXFA Analito Vapor de Agua Vapor de Agua Humedad Relativa C 12 H 11 NO 2 (Carbaryl) DNT NH 3 (Amoniaco) DIMP C 3 H 6 O (Acetona) Tabla 3.4: Polímeros y analitos estudiados. A continuación se presentaran las simulaciones utilizando los diferentes polímeros dentro de la estructuras definidas en la sección anterior Sensor Cuadrado En primer lugar, se llevó a cabo la simulación con la deposición de PHEMA Y PEMA como polímeros. En la figura 3.6 se puede observar la respuesta del sensor capacitivo donde el analito en cuestión es vapor de agua, medido este en partes por millón (ppm). Como se puede observar, cuando el polímero(dieléctrico) es el PHEMA, la respuesta del sensor no es completamente lineal(coeficiente de correlación R aproximadamente igual a ), sin embargo, es aceptable y puede permitir su perfecta monitorización a través del circuito de acondicionamiento. En el caso del PEMA como dieléctrico, podemos observar que existe mayor linealidad(r aprox. 1) que en el caso del PHEMA, lo que asegura una mayor precisión a la hora de determinar la concentración del analito. Mediante el uso de PEMA se consigue también un rango menor que en el caso del PHEMA, siendo un rango de aproxidamente 45fF para el PEMA y de unos 170fF para el PHEMA. Además, los valores de capacidad obtenidos con PEMA son muy bajos (menos de 0.1pF en todo el rango).

68 46 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS (a) PHEMA. (b) PEMA. Figura 3.6: Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Cuadrado). En la figura 3.7 se muestra la respuesta del sensor cuadrado utilizando la poliimida como dieléctrico y con la humedad relativa como analito, medido este en porcentaje. Como podemos observar, este modelo, nos permite una alta sensibilidad (R 1) en todo el rango de medida, con un valor de capacidad lo suficientemente grande para nuestro posterior circuito de acondicionamiento. Sin embargo, el rango

69 3.3. Resultados 47 de medida obtenido sólo alcanzó aproxidamente los 8 ff por lo cual los requerimientos para un posible circuito de acondicionamiento serían demasiado exigentes. Figura 3.7: Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Cuadrado). Figura 3.8: Capacidad vs Carbaryl (Sensor Cuadrado).

70 48 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS El siguiente estudio se observa en la figura 3.8, en este caso el polímero es HC y el analito es el carbaryl, medido de nuevo en partes por millón. Sin embargo, en este caso el comportamiento es peor que para el PHEMA, ya que ahora el rango de medida es menor (aproximadamente 105fF) y según se aprecia, el comportamiento es no lineal (R 0.75), lo que dificultará la monitorización del analito con el circuito de acondicionamiento. A continuación se simuló utilizando Adiol como dieléctrico (fig 3.9), mientras que el analito en cuestión fue DIMP. Como se puede observar, los resultados con este dieléctrico vuelven a ser parecidos a los casos PHEMA-Vapor de agua y HC- Carbaryl en cuanto a linealidad, aunque en este caso es peor (aproximadamente 0.6). Un rango si cabe inferior al de resto de casos( 0.26fF), saturándose el valor de la capacidad a medida que aumentamos la concentración del analito. Figura 3.9: Capacidad vs DIMP (Sensor Cuadrado). De nuevo se simuló un cambio en el polímero que actuaba como dieléctrico para el sensado de dos analitos, utilizándose AuHFA(ver fig. 3.10). Se llevaron a cabo dos simulaciones para dos diferentes analitos, DNT y NH 3 (Amoniaco). Ambos resultados fueron similares, en ambos se puede observar como a medida que la concentración del analito aumenta (baja linealidad), la capacidad del sensor tiende a saturarse, con un rango de aproxidamente 82fF y 0.2pF respectivamente.

71 3.3. Resultados 49 (a) Capacidad vs DNT. (b) Capacidad vs Amoniaco Figura 3.10: AuHFA como dieléctrico (Sensor Cuadrado). Finalmente, se simuló la deposición de SXFA para monitorizar la acetona. La respuesta de esta simulación se puede observar en la figura En este caso se obtuvo la mayor linealidad junto con los casos de PEMA-Vapor de agua y Poliimida- Humedad Relativa, sin embargo el rango de medida es pequeño, de alrededor de 7fF.

72 50 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS Figura 3.11: Capacidad vs Acetona (Sensor Cuadrado) Sensor Circular En primer lugar, se comenzaron las simulaciones con la deposición de PHEMA y PEMA para la monitorización del vapor de agua (figuras 3.12(a) y 3.12(b)). En este caso los resultados son practicamente iguales que para la geometría cuadrada, atendiendo siempre al hecho de que el área del sensor es casi la misma, por lo que los valores de capacidad deben de ser practicamente los mismos. De esta forma, se obtuvo un rango de aproxidamente 170fF para el PHEMA y de 46fF para el PEMA, que sin embargo es mucho más lineal ( para el PHEMA frente a para el PEMA). Después se simuló la inyección de la poliimida para sensar la humedad relativa (fig. 3.13). En este caso también se puede describir el comportamiento del sensor de forma lineal, sin embargo, el rango simulado del sensor es de sólo de aproximadamente 7.5fF.

73 3.3. Resultados 51 (a) PHEMA. (b) PEMA. Figura 3.12: Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Circular). Para la siguiente simulación, se utilizó HC como polímero y C 12 H 11 NO 2 (carbaryl) como analito. El resultado del comportamiento del sensor químico capacitivo se puede observar en la figura En este caso podemos observar que tenemos de nuevo un sensor saturado a altas concentraciones, sin embargo, esta no es tan pronunciada como para otros polímeros. El rango de la capacidad sensora varía entre aproximadamente 0.22pF y 0.32pF, lo que supone un rango de 0.1pF.

74 52 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS Figura 3.13: Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Circular). Figura 3.14: Capacidad vs Carbaryl (Sensor Circular). Como se puede observar en la figura 3.15, se llevó a cabo una simulación utilizando Adiol como polímero, monitorizando los niveles de DIMP. En este caso la respuesta se satura para un nivel más bajo de concentración del analito que en el

75 3.3. Resultados 53 caso de HC-carbaryl, lo que dificulta su lectura y tratamiento por un circuito de acondicionamiento. Para este caso, se consiguió además un rango de medida menor que en la simulación anterior, de aproximadamente de 25fF. Al igual que en los anteriores polímeros estudiados, se puede observar que la respuesta es prácticamente la misma que para la estructura geométrica cuadrada. Figura 3.15: Capacidad vs DIMP (Sensor Circular). Después se simuló el sensor circular utilizando AuHFA como dieléctrico y DNT(fig. 3.16(a)) y amoniaco(fig.3.16(b)) como analitos. Como se puede observar, las respuestas de ambos son similares, a pesar de que la respuesta ante el DNT es más lineal que ante el amonicaco, con unos coeficientes de 0.66 frente a 0.5. Otra diferencia entre ambos se encuentra en la capacidad mínima que obtienen para la mínima concentración del analito, siendo de aproximadamente de 0.25pF para el DNT y de 0.14pF para el amoniaco.

76 54 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS (a) Capacidad vs DNT. (b) Capacidad vs Amoniaco Figura 3.16: AuHFA como dieléctrico (Sensor Circular). Finalmente se simuló la deposición del último polímero, el SXFA, ante una concentración de acetona. De esta forma, se obtuvo una respuesta como la de la figura Como se puede observar, la respuesta es lineal( 0,9982) mientras que el rango de la capacidad obtenida es pequeño, variando de aproximadamente 0.286pF a 0.293pF, lo que supone un rango de medida de 7fF aproximadamente.

77 3.3. Resultados 55 Figura 3.17: Capacidad vs Acetona (Sensor Circular) Sensor Hexagonal De la misma forma que con los sensores cuadrado y circular, iniciamos las simulaciones con esta estructura geométrica con deposición de los polímeros PHEMA y PEMA ante el vapor de agua como analito. En este caso vemos un comportamiento similar en ambos polímeros al de las otras geometrías, obteniendo un rango mayor para el PHEMA ( 0.175pF) que para el PEMA ( 46fF), aún siendo este último más lineal. Estos dos polímeros tiene una buena característica lineal, con coeficientes de 0.89 y 0.99 respectivamente, lo que facilita la lectura por el circuito de acondicionamiento. Por otro lado, estos sensores proveen rangos de medida de capacidad de aproximadamente 175fF y 45fF para cada polímero. Como mayor inconveniente especialmente del PEMA es la baja capacidad que se obtiene, con capacidades que varían entre 0.01pF hasta 0.055pF aproximadamente.

78 56 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS (a) PHEMA. (b) PEMA. Figura 3.18: Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Hexagonal). A continuación, se llevó a cabo la simulación con el polímero mas utilizado en sensores capacitivos, la poliimida, monitorizando los niveles de humedad relativa (ver figura 3.19). La respuesta obtenida indica alta linealidad, sin embargo el rango de medida resultante sólo osciló alrededor de 6fF.

79 3.3. Resultados 57 Figura 3.19: Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Hexagonal). Como se puede observar en la figura 3.20, se realizó una simulación con HC como polímero y Carbaryl como analito, en este caso nos encontramos ante otro sensor que se satura conforme aumenta la concentración y con un rango de 106fF. Figura 3.20: Capacidad vs Carbaryl (Sensor Hexagonal).

80 58 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS En la figura 3.21 se simuló el comportamiento del sensor depositando como polímero Adiol siendo el analito en cuestión DIMP. El resultado de este sensor no es satisfactorio debido a la saturación para altas concentraciones y su bajo rango (26fF aproximadamente). Figura 3.21: Capacidad vs DIMP (Sensor Hexagonal). A continuación se simuló el comportamiento del sensor con SXFA como dieléctrico y sensando la acetona. Los resultados se observan en la figura Figura 3.22: Capacidad vs Acetona (Sensor Hexagonal).

81 3.3. Resultados 59 (a) Capacidad vs DNT. (b) Capacidad vs Amoniaco Figura 3.23: AuHFA como dieléctrico (Sensor Hexagonal). Finalmente se realizó la simulación de la deposición de AuHFA como dieléctrico y DNT(fig. 3.23(a)) y amoniaco(fig.3.23(b)) como analitos. En este caso, se puede observar que la respuesta ante DNT es moderadamente mejor que ante amoniaco, ya que este se satura para una concentración baja, sin embargo, se consigue un rango mayor que para el DNT, de casi 2 veces superior, mientras que las linealidades de ambos son bajas (de 0.66 para el DNT y 0.5 para el amoniaco).

82 60 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS 3.4. Conclusiones A modo de conclusión, presentamos en la tabla 3.5 un resumen con los diferentes coeficientes de linealidad así como rangos para las diferentes geometrías, polímeros y analitos: Polímero Analito Cuadrada Circular Hexagonal Rango (ff) Linealidad Rango (ff) Linealidad Rango (ff) Linealidad PHEMA Vapor de Agua PEMA Vapor de Agua Poliimida Humedad Relativa HC C 12H 11NO AuHFA DNT NH Adiol DIMP SXFA C 3H 6O Tabla 3.5: Tabla resumen de las simulaciones. Como se puede observar a partir de la tabla anterior, tanto los rangos como los coeficientes de linealidad para cada una de las relaciones polímero-analito son practicamente las mismas para cada una de las estructuras geométricas, estos resultados, son los esperados debido a que las áreas son practicamente las mismas. Por lo tanto, en la siguiente sección presentaremos el layout únicamente del sensor cuadrado, ya que es el mas sencillo de fabricar. En cualquier caso, y como se indicará en el capitulo 5, seria interesante poder fabricar todas las geometrías para poder hacer pruebas con todos los polímeros y analitos posibles. Dado que el tamaño del dado en PolyMUMPs es de 1 cm 2, se podrían acomodar hasta 4400 de los dispositivos descritos en cada diseño. No obstante, encontrar cápsulas de 1 cm 2 de ventana es costoso y difícil, por lo que sería más fácil hacer un subdicing de los dados. Cortándolos dos veces se obtendrían chips de 0.25 cm 2 que admiten cápsulas asequibles y se podrían acomodar un máximo de 1100 dispositivos en cada uno Layout Como ya se ha comentado, para llevar a cabo el layout de los sensores MEMS, se ha utilizado CoventorWare sobre tecnología PolyMUMPs, la cual se explicó en el capitulo 1. En la figura 3.24 se puede observar en layout del sensor cuadrado. Destacar que las líneas de color turquesa hacen referencia a la capa Anchor 1, que se utiliza para eliminar la capa de óxido y depositar la capa de Poly 1 directamente sobre el nitruro consiguiendo así que se forme la cavidad donde se depositará a continuación el polímero que se comportará como dieléctrico.

83 3.4. Conclusiones 61 Como se puede observar, se han hecho unos agujeros en la capa superior, para asegurar que una vez depositado y distribuido completamente el polímero, este no se desborda por el agujero de entrada, pudiendo producir algún defecto sobre la impresora de deposición o que este no se distribuya uniformemente. Además, también sirve para que el analito en cuestión pueda penetrar en el polímero que actúa como elemento sensor. Figura 3.24: Layout del sensor cuadrado. La deposición de los diferentes polímeros que servirán como dieléctricos y por tanto, como elemento sensible a los diferentes analitos y compuestos orgánicos volátiles, se llevará a cabo utilizando una impresora de inyección de tinta, concretamente la Fujifilm Dimatix DMP-2831, perteneciente al departamento de Química Analítica de la Universidad de Granada. Esta deposición se llevará cabo a través del agujero central que se ha diseñado en el centro del sensor con este propósito en concreto.

84 62 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS CoventorWare dispone de una herramienta, que permite obtener una vista en 3 dimensiones del MEMS diseñado a través del layout. Esto capacita al diseñador, de una utilidad, para comprobar si el layout del sensor diseñado corresponde al propósito de diseño inicial.en la figura 3.25, en la que se ha exagerado el eje Z diez veces más, se puede observar la cavidad creada en la que se depositará el polímero. Esta figura fue obtenida simulando el proceso de fabricación, deposición y grabado mediante Coventorware. (a) Perspectiva General Aumentada. (b) Sección. Figura 3.25: Aumento de diez veces más del eje Z del sensor cuadrado. Finalmente, en las figura 3.26, se puede observar las diferentes perspectivas que produce CoventorWare, ya que este, una vez hecho el Layout, permite simular un crecimiento del sensor sobre una oblea, para poder comprobar que el Layout realizado, realmente se corresponde con el diseño deseado.

85 3.4. Conclusiones 63 (a) Perspectiva General. (b) Planta. (c) Perfil. (d) Alzado. Figura 3.26: Sensor cuadrado generador por CoventorWare.

86 64 Capítulo 3. Propuesta de diseño de Microsensores MEMS

87 Capítulo 4 Circuito de Acondicionamiento Contenidos 4.1. Diseño Diseño sobre Macromodelo Diseño del OTA Conclusiones

88 66 Capítulo 4. Circuito de Acondicionamiento Durante el presente capítulo se explicará el diseño realizado para el circuito de acondicionamiento de nuestro sensor. Para las simulaciones se trabajará con la relación polímero-analito del que mejor rendimiento hemos obtenido en el capítulo 3, concretamente, haremos las simulaciones como si estuvieramos trabajando con el sensor cuadrado con PHEMA como dieléctrico y vapor de agua como analito Diseño El circuito general de aconcionamiento que vamos a implementar, es el que se puede observar en la figura 4.1. Este corresponde a un amplificador de carga[12]. Todo esto se diseñara, atendiendo a motivos de fiabilidad, coste y funcionalidad requerida del circuito, sobre tecnología de 0,35µm[53]. Oscilador Reset ƒ S1 ÿ 1 ÿ ƒ ÿ C2 C ÿ0.5pf ƒ ƒ S 2 Sensor V mid Muestreo ÿ C 3 ƒ ÿ ƒ ƒ ý Figura 4.1: Circuito de acondicionamiento basado en amplificador de carga. Salida El funcionamiento de este circuito se basa en una amplificación realizada por el primer amplificador. Si se observa la figura anterior, se puede concluir que la tensión de salida V salida está definido en la ecuación 4.1. V salida = V mid V oscilador C 1 C 2 (4.1) mientras que el segundo amplificador operacional es simplemente un buffer que muestra el valor de la tensión lineal con C 1. Por lo que se puede extraer de la anterior ecuación, la permitividad del polímero que actúa como elemento sensor mediante las ecuaciones 4.2 y 4.3. ε polimero = (C 1) polimero (C 1 ) aire (4.2) ε polimero = (V salida V mid ) polimero (V salida V mid ) aire (4.3)

89 4.1. Diseño 67 Esto quiere decir, que el presente trabajo se centrará sobre el diseño del los amplificadores operacionales para poder utilizar el amplificador de carga de la figura Diseño sobre Macromodelo En primer lugar, se llevó a cabo un diseño sobre un macromodelo de amplificador operacional. Este macromodelo sigue la estructura de la figura 4.2. V a V in+ V in g ma V a I 1 ÿ ƒ ÿ ƒ ÿ R a R ƒ ý 1 ƒ V b C a C 1 ƒ ý ƒ ý g mo V b I 2 ƒ ý Figura 4.2: Macromodelo del amplificador operacional diseñado. ÿ ƒ ÿ ƒ V o R o R 2 ƒ ý En la figura 4.3 se pueden observar los resultados al simular el circuito 4.1 sustituyendo los amplificadores por el macromodelo de la figura 4.2. Para ello se hace variar la capacidad del sensor químico entre 0.1 y 0.35pF y se hace una simulación paramétrica donde el parámetro es la capacidad del sensor. Figura 4.3: Simulación del circuito de acondicionamiento con el macromodelo del amplificador. De esta gráfica podemos observar como con el circuito 4.1 de amplificación de carga es apto para la monitorización del sensor químico MEMS, ante una variación

90 ƒ ÿ ƒ ƒ 68 Capítulo 4. Circuito de Acondicionamiento de los diferentes analitos sensados por los polímeros. Los parámetros de este macromodelo, se pueden observar en la tabla 4.1. Parámetro R 0 g m0 Valor 1Ω 10 6 µa/v A v 800 V /V g ma R a GB 10 4 µa/v 80kΩ 8MHz Tabla 4.1: Parámetros del macromodelo Diseño del OTA Por lo tanto, una vez fijados los requerimientos del amplificador operacional de transconductancia (OTA), se comenzó por plantear que tipo de amplificador diseñar. De esta forma, y buscando siempre el amplificador más simple que se ajuste a las necesidades del presente trabajo, se partió en primer lugar del diseño de un amplificador diferencial simple, con transistores NMOS a la entrada y PMOS como carga. Este circuito se puede ver en la figura 4.4. = M 3 <M 4 ÿ ƒ V ƒ ÿƒ ó CC ò ƒ 1 V o V in ÿ ƒ ƒ 0 M ƒ ÿ1m b2 b1 ƒ ý ƒ ý V 0M in+ ƒ ÿ 1 M 2 I bias I 1 Figura 4.4: Amplificador diferencial diseñado. Siendo M 1 y M 2, los transistores de la etapa de entrada, M 3 y M 4 los de la carga activa, y M b1 y M b2 los de la etapa de polarización. Utilizando una de las referencias [54], se procedió al diseño de este amplificador diferencial, y comprobaremos, buscando que se adaptase a las necesidades de funcionamiento para el sensor presentado. En primer lugar se partió de unas especificaciones, que al no necesitar de un amplificador de altas presentaciones fueron flexibles. En este caso, se ha fijado la ganancia alrededor de 800 V /V, una tensión de alimentación V DD = 3,3 con V SS = 0, un consumo de corriente I SS = 20µA, lo que

91 4.1. Diseño 69 fija una potencia de P = 66µW, además, se fijó el rango de entrada del modo común (ICMR), con unos valores mínimos y máximos de 1.4 y 2.5 voltios respectivamente. De esta forma, primero se dimensionaron los transistores tipo P M 3 y M 4 a partir del máximo del rango de entrada del modo común(v ICmax ). El límite máximo para el circuito de la figura 4.4, está definido en la siguiente ecuación: V ICmax = V DD V SG3 + V TN (4.4) De esta ecuación despejamos el valor de V SG3 y lo sustituimos en la ecuación 4.5. [ ] [ ] W W 2 I D3 = = L 3 L 4 K PP (V SG3 V TP ) 2 (4.5) donde I D3 = 5µA. Obteniendo por lo tanto una relación de aspecto entre los transistores [ ] W L = [ ] W 3 L = 0,408 0,4. 4 A continuación se fijó el valor de los transistores de entrada del par diferencial M 3 y M 4 a partir de la ganancia deseada. A v = g m1 R out = Por lo que, despejando [ ] W L 1 para los transistores de entrada [ W g m1 g ds2 + g ds4 = [ 2I D1 K W ] PN L 1 (4.6) (λ N + λ P )I D de la ecuación 4.6 obtenemos una relación de aspecto ] L = [ ] W 1 L = 7, Finalmente, se dimensionaron los dos transistores del espejo de corriente encargado de la polarización del circuito, estos transistores también tendrán identicas dimensiones ya que lo único que hacen es reflejar la corriente. Para su diseño, se partió de la tensión mínima de entrada de modo común (V ICmin ), definida en la ecuación 4.7 V ICmin = V SS V DSb1 + V GS1 (4.7) En primer, lugar se despeja V GS1 de la definición de corriente de un MOSFET, dando lugar a la ecuación 4.8. V GS1 = 2ID1 K PN [ W L ] 1 + V TN (4.8) Con este valor obtenido de V GS1 ( 585mV ), se sustituyó en la ecuación 4.7 y se despejó el valor de V DS5. Y a partir de este valor, sustituyéndolo en la ecuación 4.9 se obtuvó la relación entre las dimensiones de los transistores de polarización. [ ] [ ] W W = L b1 L obteniendo en este lugar una relación [ W L b2 ] = 2I D b1 (4.9) K PN V DS5 b1 = [ ] W L b2 = 0,98 1

92 70 Capítulo 4. Circuito de Acondicionamiento Una vez obtenidas estas relaciones de aspecto, se fue modificando la longitud y anchura de los transistores hasta fijar nuestros requisitos, obteniendo las dimensiones de la tabla 4.2. Transistor Anchura Longitud M 1 32µ 4µ M 2 32µ 4µ M 3 8µ 20µ M 4 8µ 20µ M b1 8µ 8µ M b2 8µ 8µ Tabla 4.2: Dimensiones de los transistores del amplificador diferencial. Por lo tanto, definido el OTA diferencial, se procederá a caracterizarlo con algunas de sus características principales. En la figura 4.5, se puede observar la respuesta en frecuencia, de donde pueden extraerse diferentes características. Figura 4.5: Ganancia Diferencial del OTA diseñado. De esta forma, se obtuvo una ganancia diferencial de 58.34dB, un ancho de banda de 15.65kHz, y una frecuencia a ganancia unidad de aproximadamente 7.131MHz. Además, el slew-rate del OTA es de 1,68 V /µs. A priori, estos valores se ajustan a los requirimientos del amplificador operacional deseado, por lo tanto, si sustituimos esta celda dentro del circuito de la figura 4.1 que se comporta como un amplificador de carga, y simulando una variación en la capacidad sensora, obtenemos la salida en tensión de la figura 4.6. Obteniendo la relación entre la capacidad del sensor y la tensión de salida que se puede observar en la figura 4.7.

93 4.1. Diseño 71 Figura 4.6: Simulación de variación del sensor capacitivo con el OTA diseñado. 1,94 0,39 x + 1,8 1,92 Vo (V) 1,9 1,88 1,86 1,84 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 C 1 (pf) Figura 4.7: Relación C 1 (capacidad del sensor) con la tensión de salida.

94 72 Capítulo 4. Circuito de Acondicionamiento 4.2. Conclusiones Como se ha presentado durante este capítulo, utilizando un amplificador de transconductancia de tipo par diferencial se consiguen las suficientes prestaciones como para implementar un amplificador de carga necesario para la monitorización de sensores químicos MEMS capacitivos. Este circuito se ha diseñado sobre tecnología de 0.35µm de Austrian Microsystems. Como se puede observar en la figura 4.6, las señales obtenidas, para una variación entre 0.1pF y 0.35pF del sensor capacitivo (dentro de los márgenes mostrados en el capítulo 3), el circuito diseñado, produciría una salida en tensión que podría ser perfectamente medida o procesada por un convertidor analógico-digital.

95 Capítulo 5 Conclusiones y Trabajos Futuros Contenidos 5.1. Conclusiones Trabajos Futuros

96 74 Capítulo 5. Conclusiones y Trabajos Futuros 5.1. Conclusiones Durante el presente trabajo, se ha estudiado y diseñado, un sistema de microsensores químicos. Este sistema está compuesto por los propios microsensores, desarrollados en tecnología PolyMUMPs de MEMS y de un circuito de acondicionamiento basado en un amplificador de carga en tecnología AMS de 0.35µm. Para ello, se comenzó planteando 3 estructuras geométricas diferentes como sensores capacitivos de tipo plano paralelos: cuadrada, circular y hexagonal. Estas estructuras se diseñaron utilizando COMSOL. Estos sensores se diseñaron con una cavidad en su interior para alojar como dieléctrico un polímero sensible a un compuesto químico. Como se ha dicho, este sensor capacitivo está basado en la tecnología PolyMUMPs, de forma, que el electrodo inferior es de la capa Poly 0 y el superior de la Poly 1. El sistema propuesto tiene como principal objetivo la versatilidad a bajo coste. Esta característica viene dada por la posibilidad de monitorizar cualquier compuesto químico simplemente modificando el polímero interior del sensor MEMS capacitivo. Por lo tanto, a continuación, se llevaron a cabo simulaciones, también utilizando COMSOL, en las que el parámetro fue la concentración del analito a estudiar para los diferentes polímeros, estableciendo previamente una relación analito-polímero. Una vez comprobado que las diferentes estructuras geométricas responden de la misma forma, para el mismo polímero y ante el mismo analito, se realizó el layout del sensor de estructura cuadrada, ya que este es el más sencillo de fabricar. Este layout se llevó a cabo mediante la herramienta de diseño CAD CoventorWare. Finalmente, para facilitar la monitorización del analito químico en cuestión, se ha desarrollado y caracterizado un circuito de acondicionamiento basado en un amplificador de carga, para detectar las variaciones sobre el sensor capacitivo, de tal forma que la salida de dicho circuito se pueda conectar directamente a un convertidor analógico digital sin necesitar uno de altas prestaciones. Para caracterizar el circuito de acondicionamiento, en primer lugar se partió del diseño de un macromodelo de amplificador operacional, para a continuación pasar a un diseño de un OTA diferencial, Buscando siempre el diseño más simple posible que asegurase un correcto funcionamiento de todo el sistema. El diseño de este amplificador se realizó sobre tecnología AMS de 0.35µm utilizando Cadence.

97 5.2. Trabajos Futuros Trabajos Futuros A pesar de que los MEMS llevan varios años dentro de la industria y la investigación, todavía es una tecnología emergente, al igual que lo son los sensores basados en polímeros. Por lo tanto, este trabajo propone las siguientes lineas que pueden servir como continuación del presente trabajo, dentro de los dos grandes temas que se han desarrollado: Dentro de los sensores MEMS: ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ Fabricar los sensores en las tres geometrías. Testear el comportamiento de los sensores ante los polímeros presentados. Investigar sobre nuevos posibles polímeros o materiales sensibles a diferentes analitos, a fin de conseguir una base de datos que relacione elementos sensores-analitos lo más amplia posible, y que nos permita ampliar la aplicación de los sensores a más ámbitos. Investigar las posibilidades de fabricación de los microsensores en procesos customizados. Desarrollo de sensores de mayor área, a fin de aumentar la capacidad del sensor. Dentro de los circuitos de acondicionamiento: ˆ ˆ ˆ Desarrollar un layout eficiente del circuito, a fin de reducir el offset debido al scatering de los procesos de fabricación. Estudiar la posibilidad de utilizar capacidades MIM (Metal-Insulator- Metal) o MOM (Metal-Oxide-Metal) o utilizar capacidades externas para que sean más lineales. Implementar dentro del sistema de amplificación de carga, un sistema lógico, que permita variar la capacidad del lazo de realimentación a fin de poder variar la ganancia para permitir utilizar el mismo circuito de acondicionamiento para diferentes relaciones polímero-analito.

98 76 Capítulo 5. Conclusiones y Trabajos Futuros

99 Apéndice A Proceso PolyMUMPs 77

100 78 Apéndice A. Proceso PolyMUMPs El proceso PolyMUMPs es un proceso de micromachining de tres capas superficiales de polisilicio que proviene de otros trabajos llevados a cabos en el centro de sensores y actuadores de Berkeley (BSAC) en la Universidad de California durante la ultima parte de los años ochenta y la primera de los noventa. Se han llevado a cabo varias modificaciones y mejoras para aumentar la flexibilidad y la versatilidad de los procesos en ambientes multiusuario. Figura A.1: Oblea dopada con fósforo, deposición LPCVD de nitruro y polisilicio. Recubrimiento con fotoresistencia para modelar el polisilicio mediante fotolitografía. El proceso comienza con una oblea de silicio tipo-n (100) de 100mm de espesor y de una resistividad de 1-2Ω cm. La superficie de las obleas son inicialmente altamente dopadas con fósforo mediante una difusión estándar utilizando POCl 3 como fuente dopante. Esto ayuda a reducir o prevenir cargas al substrato a través de fuentes electrostáticas a la superficie. A continuación, la capa de 600nm de nitruro de silicio se deposita mediante una técnica LPCVD de bajo estrés en la oblea como capa de aislamiento. Esto es seguido directamente por la deposición de una pelicula de 500nm de polisilicio también mediante LPCVD, que constituye la capa Poly 0. Poly 0 es por lo tanto modelada mediante un proceso de fotolitografía, un proceso que incluye un recubrimiento de la oblea con una fotoresistencia (figura A.1), la exposición de la fotoresistencia con una máscara apropiada y la exposición de dicha fotoresistencia utilizando una máscara deseada para realizar el posterior grabado en la capa de polisilicio (figura A.2). Después del modelado de la fotoresistencia, la capa Poly 0 es grabada mediante sistema RIE (figura A.3). Un cristal de fosfosilicato que se utiliza como capa de sacrifio es depositada mediante LPCVD (fig. A.4) y es recocida a 1050ºC durante una hora en Argón. Esta capa de PSG, conocida como primera capa de óxido(oxido 1 ), se elimina al final del proceso para liberal la primera capa mecánica de polisilicio. La capa de sacrificio es litográficamente modelada con una máscara de pequeños agujeros denominados dimples de forma que estos dimples se transfieren a la capa de PSGG de sacrificio mediante RIE como se observa en la figura A.5. La profundidad nominal de los dimples es de 750nm. Las obleas son por lo tanto modeladas, con una tercera máscara, denominada Anchor 1, y sin grabadas mediante RIE(ver figura A.6). Este paso provee de unos agujeros de soporte que se rellenarán de la capa de polisilicio 1 (Poly 1 ).

101 79 Figura A.2: Después de la exposición de la fotoresistencia a luz ultravioleta. Figura A.3: Grabado RIE sobre el polisilicio. Figura A.4: Deposición de la primera capa de óxido. Figura A.5: Fotolitografía de la capa de sacrificio para crear los dimples. Después del grabado de la capa Anchor 1, una primera capa estructural de polisilicio(poly 1 ) es depositada con un espesor de 2,0µm. Una delgada (200nm) capa de PSG se deposita encima y se recuece a 1050ºC durante una hora (figura A.7). El recocido dopa al polisilicio con fósforo de las capas inferior y superior de PSG. Además, el recocido también sirve para reducir significativamente el estrés de

102 80 Apéndice A. Proceso PolyMUMPs Figura A.6: Grabado RIE para la definición de la capa Anchor 1. la capa de Poly 1. El polisilicio (y su máscara de PSG) es modelado mediante litografía utilizando una máscara diseñada para formar la primera capa estructural de Poly 1. La capa PSG es grabada para producir una máscara dura para el siguiente grabado de polisilicio. La máscara dura es más resistente al atacado químico de polisilicio que la fotoresistencia y asi se asegura una mejor transferecia del patrón al polisilicio. Después del grabado del polisilicio (figura A.8), la fotoresistencia se retira y el óxido que actuaba como máscara dura que queda se elimina mediante RIE. Figura A.7: Recocido de PSG sobre la capa de Poly 1. Figura A.8: Grabado sobre la capa de Poly 1.