CMOS integration of AlN based piezoelectric microcantilevers

El gran crecimiento de los sistemas MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) así como su presencia en la mayoría de los dispositivos que usamos diariamente despertó nuestro interés. Paralelamente, la tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) es la tecnología más utilizada para la fabricación de circuitos integrados. Además de ventajas relacionadas con el funcionamiento electrónico del dispositivo final, la integración de sistemas MEMS en la tecnología CMOS reduce significantemente los costes de fabricación. Algunos de los dispositivos MEMS con mayor variedad de aplicaciones son los microflejes. Estos dispositivos pueden ser utilizados para la extracción de energía, en microscopios de fuerza atómica o en sensores, como por ejemplo, para biodetección. Los materiales piezoeléctricos más comúnmente utilizados en aplicaciones MEMS se sintetizan a altas temperaturas y por lo tanto no son compatibles con la tecnología CMOS. En nuestro caso hemos usado nitruro de alumino (AlN), que se deposita a temperatura ambiente y es compatible con la tecnología CMOS. Además, es biocompatible, y por tanto podría formar parte de un dispositivo que actúe como biosensor. A lo largo de esta tesis hemos prestado especial atención en desarrollar un proceso de fabricación rápido, reproducible y de bajo coste. Para ello, todos los pasos de fabricación han sido minuciosamente optimizados. Los parámetros de sputtering para depositar el AlN, las distintas técnicas y recetas de ataque, los materiales que actúan como electrodos o las capas sacrificiales para liberar los flejes son algunos de los factores clave estudiados en este trabajo. Una vez que la fabricación de los microflejes de AlN ha sido optimizada, fueron medidos para caracterizar sus propiedades piezoeléctricas y finalmente verificar positivamente su viabilidad como dispositivos piezoeléctricos. ABSTRACT The huge growth of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) as well as their presence in most of our daily used devices aroused our interest on them. At the same time, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology is the most popular technology for integrated circuits. In addition to advantages related with the electronics operation of the final device, the integration of MEMS with CMOS technology reduces the manufacturing costs significantly. Some of the MEMS devices with a wider variety of applications are the microcantilevers. These devices can be used for energy harvesting, in an atomic force microscopes or as sensors, as for example, for biodetection. Most of the piezoelectric materials used for these MEMS applications are synthesized at high temperature and consequently are not compatible with CMOS technology. In our case we have used aluminum nitride (AlN), which is deposited at room temperature and hence fully compatible with CMOS technology. Otherwise, it is biocompatible and and can be used to compose a biosensing device. During this thesis work we have specially focused our attention in developing a high throughput, reproducible and low cost fabrication process. All the manufacturing process steps of have been thoroughly optimized in order to achieve this goal. Sputtering parameters to synthesize AlN, different techniques and etching recipes, electrode material and sacrificial layers are some of the key factors studied in this work to develop the manufacturing process. Once the AlN microcantilevers fabrication was optimized, they were measured to characterize their piezoelectric properties and to successfully check their viability as piezoelectric devices.

High sensitivity biosensors based on shear mode AIN resonators for in liquid operation

El diagnóstico y detección temprana de enfermedades son clave para reducir la tasa de mortalidad, las hospitalizaciones de larga duración y el desaprovechamiento de recursos. En los últimos años se ha impulsado, mediante un aumento de la financiación, el desarrollo de nuevos biosensores de bajo coste capaces de detectar y cuantificar cantidades muy pequeñas de especies biológicas de una forma barata y sencilla. El trabajo presentado en esta Tesis Doctoral describe la investigación llevada a cabo en el desarrollo de sensores gravimétricos basados en resonadores de ondas acústicas de volumen (BAW) de estructura maciza (SMR). Los dispositivos emplean películas delgadas de A1N como material piezoeléctrico y operan en modo de cizalladura, para así poder detectar especies biológicas en medio líquido. El principio de funcionamiento de estos sensores se basa en la variación que experimenta la frecuencia de resonancia al quedar una pequeña masa adherida a su superficie. Necesitan operar en modo de cizalladura para que su resonancia no se atenúe al trabajar en medio líquido, así como ofrecer una superficie capaz de ser funcionalizada específicamente para la especie biológica a detectar. El reto planteado en esta tesis requiere un acercamiento pluridisciplinar al problema que incluye el estudio de los diferentes materiales que constituyen la estructura multicapa que forma un SMR, el diseño y fabricación del dispositivo y del sistema de fluídica, la funcionalización bioquímica de la superficie del sensor, la demostración de la capacidad de detección de especies biológicas y finalmente el diseño y fabricación de la electrónica asociada para la detección de la señal eléctrica. Todas esas tareas han sido abordadas en las distintas etapas del desarrollo de esta tesis y las contribuciones más relevantes se describen en el documento. En el campo de desarrollo de los materiales, se propone un proceso en dos etapas para la pulverización reactiva de capas de A1N que contengan microcristales inclinados capaces de excitar el modo de cizalladura. Se caracteriza la velocidad acústica del modo de cizalladura en todos los materiales que componen la estructura, con el fin de poder obtener un diseño más adecuado del reflector acústico. Se propone un nuevo tipo de material aislante de alta impedancia acústica consistente en capas de W03 pulverizadas que presenta ciertas ventajas tecnológicas frente a las capas convencionales de Ta205. Respecto del diseño del transductor, se estudia la influencia que tienen los con tactos eléctricos extendidos del resonador necesarios para poder adaptar el sistema de fluídica a la estructura. Los resultados indican que es necesario trabajar sobre sustratos aislantes (tanto el soporte como el espejo acústico) para evitar efectos parásitos asociados al uso de capas metálicas bajo los electrodos del resonador que dañan su resonancia. Se analiza la influencia de las diferentes capas del dispositivo en el coeficiente de temperatura de la frecuencia (TCF) del resonador llegando a la conclusión de que las dos últimas capas del reflector acústico afectan significativamente al TCF del SMR, pudiendo reducirse ajusfando adecuadamente sus espesores. De acuerdo con los resultados de estos estudios, se han diseñado finalmente resonadores SMR operando a f .3 GHz en modo de cizalladura, con un área activa de 65000 /xm2, contactos eléctricos que se extienden f .7 mm y factores de calidad en líquido de f 50. Las extensiones eléctricas permiten adaptar el resonador a un sistema de fluídica de metacrilato. Para la detección de especies biológicas se realiza un montaje experimental que permite circular 800 ¡A por la superficie del sensor a través de un circuito cerrado que trabaja a volumen constante. La circulación de soluciones iónicas sobre el sensor descubierto pone de manifiesto que las altas frecuencias de operación previenen los cortocircuitos y por tanto el aislamiento de los electrodos es prescindible. Se desarrolla un protocolo ad-hoc de funcionalización basado en el proceso estándar APTESGlutaraldehído. Se proponen dos alternativas novedosas para la funcionalización de las áreas activas del sensor basadas en el uso de capas de oxidación de Ir02 y su activación a través de un plasma de oxígeno que no daña al dispositivo. Ambos procesos contribuyen a simplificar notablemente la funcionalización de los sensores gravimétricos. Se utilizan anticuerpos y aptámeros como receptores para detectar trombina, anticuerpo monoclonal IgG de ratón y bacteria sonicadas. Una calibración preliminar del sensor con depósitos de capas finas de Si02 de densidad y espesor conocidos permite obtener una sensibilidad de 1800 kHz/pg-cm2 y un límite de detección of 4.2 pg. Finalmente se propone el prototipo de un circuito electrónico de excitación y lectura de bajo coste diseñado empleando teoría de circuitos de microondas. Aunque su diseño y funcionamiento admite mejoras, constituye la última etapa de un sistema completo de bajo coste para el diagnóstico de especies biológicas basado en resonadores SMR de A1N. ABSTRACT Early diagnosis and detection of diseases are essential for reducing mortality rate and preventing long-term hospitalization and waste of resources. These requirements have boosted the efforts and funding on the research of accurate and reliable means for detection and quantification of biological species, also known as biosensors. The work presented in this thesis describes the development and fabrication of gravimetric biosensors based on piezoelectric AlN bulk acoustic wave (BAW) solidly mounted resonators (SMRs) for detection of biological species in liquid media. These type of devices base their sensing principles in the variation that their resonant frequency suffers when a mass is attached to their surface. They need to operate in the shear mode to maintain a strong resonance in liquid and an adequate functionalisation of their sensing area to guarantee that only the targeted molecules cause the shift. The challenges that need to be overcome to achieve piezoelectric BAW resonators for high sensitivity detection in fluids require a multidisciplinary approach, that include the study of the materials involved, the design of the device and the fluidic system, the biochemical functionalisation of the active area, the experimental proof-of-concept with different target species and the design of an electronic readout circuit. All this tasks have been tackled at different stages of the thesis and the relevant contributions are described in the document. In the field of materials, a two-stage sputtering deposition process has been developed to obtain good-quality AlN films with uniformly tilted grains required to excite the shear mode. The shear acoustic velocities of the materials composing the acoustic reflector have been accurately studied to ensure an optimum design of the reflector stack. WO3 sputtered films have been proposed as high acoustic impedance material for insulating acoustic reflectors. They display several technological advantages for the processing of the resonators. Regarding the design, a study of the influence of the electrical extensions necessary to fit a fluidic system on the performance of the devices has been performed. The results indicate that high resistivity substrates and insulating reflectors are necessary to avoid the hindering of the resonance due to the parasitic effects induced by the extensions. The influence of the different layers of the stack on the resultant TCF of the SMRs has also been investigated. The two layers of the reflector closer to the piezoelectric layer have a significant influence on the TCF, which can be reduced by modifying their thicknesses accordingly. The data provided by these studies has led to the final design of the devices, which operate at 1.3 GHz in the shear mode and display an active area of 65000 /xm2 and electrical extensions of 1.7 mm while keeping a Qahear=150 in liquid. The extensions enable to fit a custom-made fluidic system made of methacrylate. To perform the biosensing experiments, an experimental setup with a liquid closed circuit operating at constant flow has been developed. Buffers of ionic characteristics have been tested on non-isolated devices, revealing that high operation frequencies prevent the risk of short circuit. An ad-hoc functionalisation protocol based on the standard APTES - Glutaraldehyde process has been developed. It includes two new processes that simplify the fabrication of the transducers: the use of IrO2 as oxidation layer and its functionalisation through an O2 plasma treatment that does not damage the resonators. Both antibodies and aptamers are used as receptors. In liquid sensing proof-of-concept experiments with thrombin, IgG mouse monoclonal antibody and sonicated bacteria have been displayed. A preliminary calibration of the devices using SiO2 layers reveals a sensitivity of 1800 kHz/pg-cm2 and a limit of detection of 4.2 pg. Finally, a first prototype of a low-cost electronic readout circuit designed using a standard microwave approach has been developed. Although its performance can be significantly improved, it is an effective first approach to the final stage of a portable low-cost diagnostic system based on shear mode AlN SMRs.

Piezoelectric sensing and non-parametric statistical signal processing for health monitoring of hysteretic dampers used in seismic-resistant structures

The paper proposes a new application of non-parametric statistical processing of signals recorded from vibration tests for damage detection and evaluation on I-section steel segments. The steel segments investigated constitute the energy dissipating part of a new type of hysteretic damper that is used for passive control of buildings and civil engineering structures subjected to earthquake-type dynamic loadings. Two I-section steel segments with different levels of damage were instrumented with piezoceramic sensors and subjected to controlled white noise random vibrations. The signals recorded during the tests were processed using two non-parametric methods (the power spectral density method and the frequency response function method) that had never previously been applied to hysteretic dampers. The appropriateness of these methods for quantifying the level of damage on the I-shape steel segments is validated experimentally. Based on the results of the random vibrations, the paper proposes a new index that predicts the level of damage and the proximity of failure of the hysteretic damper

Post-CMOS compatible high-throughput fabrication of AIN-based piezoelectric microcantilevers

A post-complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatible microfabrication process of piezoelectric cantilevers has been developed. The fabrication process is suitable for standard silicon technology and provides low-cost and high-throughput manufacturing. This work reports design, fabrication and characterization of piezoelectric cantilevers based on aluminum nitride (AlN) thin films synthesized at room temperature. The proposed microcantilever system is a sandwich structure composed of chromium (Cr) electrodes and a sputtered AlN film. The key issue for cantilever fabrication is the growth at room temperature of the AlN layer by reactive sputtering, making possible the innovative compatibility of piezoelectric MEMS devices with CMOS circuits already processed. AlN and Cr have been etched by inductively coupled plasma (ICP) dry etching using a BCl3–Cl2–Ar plasma chemistry. As part of the novelty of the post-CMOS micromachining process presented here, a silicon Si (1 0 0) wafer has been used as substrate as well as the sacrificial layer used to release the microcantilevers. In order to achieve this, the Si surface underneath the structure has been wet etched using an HNA (hydrofluoric acid + nitric acid + acetic acid) based solution. X-ray diffraction (XRD) characterization indicated the high crystalline quality of the AlN film. An atomic force microscope (AFM) has been used to determine the Cr electrode surface roughness. The morphology of the fabricated devices has been studied by scanning electron microscope (SEM). The cantilevers have been piezoelectrically actuated and their out-of-plane vibration modes were detected by vibrometry.