Diseño y fabricación de sistemas micro/nano electromecánicos integrados monolíticamente para aplicaciones de sensores de masa y sensores biológicos con palancas como elementos transductores

Resumen

El objetivo de esta tesis es la implementación de sensores de alta resolución, formados por sistemas micro/nano electromecánicos integrados monolíticamente, basados en palanca como elemento transductor y utilizando para la fabricación tecnologías de silicio. En concreto, se determinará la tecnología de fabricación óptima para la implementación de sensores basados en palancas, para aplicaciones en aire o vacio y líquido. Se establecerán las técnicas de detección y excitación adecuadas para los sensores basados en palancas. Y se realiza la compatibilización de la tecnología de fabricación de sensores con la tecnología CMOS, de forma que se consiga la integración monolítica del sistema. Para ello, se fabrican tres demostradores distintos, dos de ellos sensores de masa formados por palancas resonantes y un tercer sistema capaz de trabajar en medio líquido para detección electroquímica. En el primer demostrador se fabrica un sensor de masa formado por una matriz de palancas de polisilicio integrado monolíticamente con la circuitería de lectura. Para ello se utiliza como capa estructural uno de los niveles de polisilicio de la tecnología CMOS utilizada (tecnología CMOS CNM25 2P, 2M con dos niveles de metal y dos niveles de polisilicio). Se han diseñado matrices de cuatro y ocho palancas que permiten realizar medidas multiplexadas de cada una de las palancas independientemente y medidas diferenciales. De forma que por un lado se aumenta la versatilidad del sistema y al realizar medidas diferenciales mejora la resolución. Durante el proceso CMOS se definen las áreas de fabricación y como post-proceso se definen los transductores mecánicos. Tras caracterización eléctrica de los sistemas, de este demostrador se concluye que la integración monolítica es posible y se dispone de un sistema versátil, con resolución en masa inferior a los 40 ag/Hz. El segundo demostrador consiste en un sensor de masa formado por palancas resonantes de silicio cristalino. Para utilizar silicio cristalino como capa estructural se desarrolla una nueva tecnología, a partir de sustratos SOI, que permite definir regiones para fabricación de la circuitería CMOS y regiones con estructura SOI para la implementación de los transductores. Una vez definida la tecnología, se implementan sensores de masa resonantes (como en el primer demostrador) con mejores características de la capa estructural. Se ha probado el funcionamiento de dichos sensores con una resolución máxima en masa de 7 ag/Hz. La tecnología desarrollada permite la fabricación de sistemas MEMS/NEMS integrados monolíticamente que utilizan silicio cristalino como capa estructural. Por ultimo se ha desarrollado un tercer dispositivo, que permite trabajar en medio líquido. Se utiliza como elemento transductor una palanca de silicio cristalino. Para detectar la deflexión de la palanca (provocada por estrés superficial debido al depósito de moléculas) se miden variaciones de corriente electroquímica entre la palanca y un electrodo muy próximo a ella dentro de un bipotenciostato. Es preciso que la separación entre dos electrodos sea inferior a los 100 nm, para poder medir esta corriente. Definir estas separaciones supone un reto tecnológico importante, dado que se trata de definir cortes en silicio de una micra de grosor, con anchura inferior a los 100 nm. Se utilizan técnicas de litografía con resolución nanométrica (con microscopio de fuerzas atómicas, AFM y haz focalizado de iones, FIB) combinadas con grabado seco por iones reactivos (RIE) y ataque directo mediante FIB. Se han conseguido los cortes requeridos y se demuestra el funcionamiento del dispositivo.

Fecha de lectura	21 jul 2005
Idioma original	Indefinido/desconocido
Supervisor	Nuria Barniol Beumala (Director/a)