Desarrollo de microestructuras de vidrio/silicio para la fabricación de sensores de gases con circuitería CMOS asociada

Abstract

El objetivo de esta tesis es el diseño y fabricación de una estructura de vidrio/silicio que permita la integración en un mismo chip de una matriz de sensores de gases y circuitería CMOS. Estas estructuras deben poseer una elevada robustez, alta temperatura de trabajo con un bajo consumo. <br/>La estructura está formada por una plataforma a alta temperatura aislada térmicamente (donde se integrará la matriz de sensores de gases) y la parte CMOS. En las plataformas de silicio micromecanizadas se integra una matriz de cuatro sensores de gases trabajando a la misma temperatura. Este tipo de configuración es interesante en aplicaciones donde diferentes materiales se depositan en la misma plataforma para mejorar la selectividad de los sensores a una concentración de gases. La electrónica incluye un bloque de control de temperatura en el área activa y un bloque de lectura de las señales de los sensores.<br/>Los principales puntos que se tratan en la tesis son: <br/>- Descripción de las estructuras de vidrio/silicio para la fabricación de un sensor de gases integrado monolíticamente con circuitería CMOS <br/>- Diseño y simulación: se han realizado una serie de simulaciones numéricas preliminares con el método de los elementos finitos (FEM) para optimizar el aislamiento térmico de las plataformas de silicio en función de la geometría del dispositivo, y de ese modo reducir el consumo de la estructura. <br/>- Análisis de la compatibilidad de la tecnología CMOS y de sensores de gases<br/>- Fabricación de los dispositivos:<br/>a. Micromecanizado del vidrio<br/>b. Soldadura anódica vidrio/silicio<br/>c. Proceso de fabricación CMOS añadiendo los pasos y materiales necesarios para la incorporación de los elementos propios de sensores de gases<br/>d. Deposito de materiales sensibles a gases <br/>Caracterización de los dispositivos: mecánica, térmica y eléctrica de la matriz de sensores de gases para analizar la fiabilidad de las estructuras.

The aim of the work is the design and fabrication of glass/silicon structure that allows to the on-chip integration of CMOS electronics and gas sensor array with high robustness, high operation temperatures and low power consumption. <br/>The structure is composed of a glass/silicon thermally isolated µ-hotplate, on which a sensor array is integrated, and a CMOS electronics part. Arrays of four semiconductor gas sensors (SnO2-based) working at the same temperature were placed on micromachined silicon platforms. These array configurations are of interest for applications on which different sensing materials are deposited on the same platform to improve the selectivity to a given set of gases. The electronics includes the necessary for accurate control of temperature and for resistive-based gas sensor transduction.<br/>The main points of this works are:<br/>- Description of glass/silicon structures for the fabrication of a CMOS monolithically integrated gas sensor array with electronics <br/>- Design and simulation: Preliminary numerical simulations made with the Finite Element Method (FEM) have been done in order to optimise the thermal isolation of the silicon platform and so to reduce the power consumption as a function of the geometry of the device.<br/>- Semiconductor gas sensor compatibility with CMOS technologies<br/>Fabrication<br/>a. Glass structuring technology <br/>b. Anodic bonding of thin glass columns<br/>c. CMOS process fabrication with special materials and non-CMOS standard processing and post-processing sequences<br/>d. Gas sensitive material deposition and patterning.<br/>Characterisation: Mechanical, thermal and electrical characterisation of the gas sensor arrays have been done for demonstrating the feasibility of the structure.