Fully integrated CMOS-MEMS resonators as a biosensing platform

Abstract

[eng] Functional diversification in the More than Moore era has attracted an increasing attention on MEMS resonators as sensing devices for system-on-chip applications thanks to its miniaturization capabilities, simple readout schemes, and integration with current ICs fabrication technologies. These advantages make them the perfect candidates to develop biosensing applications in the chemical and biological domains provided its portability, high-throughput, reduced footprint, and minimal processing time. This thesis focuses on analyzing, designing, and developing MEMS resonators oriented and optimized for VOCs detection and calorimetric sensing that are monolithically integrated with a commercial 0-35-μm CMOS technology with on-chip readout via a CMOS-MEMS fabrication approach. An electrostatic actuation scheme and a capacitive readout allow the MEMS structures to operate as a self-sustained oscillator when coupled to a specific amplifier providing a quasidigital output signal. The MEMS resonators are defined using the available CMOS layers. The adopted fabrication approach uses an intra-CMOS post-fabrication wet-etching step to release the mechanical moving parts by removing the surrounding sacrificial oxide, while the readout circuit is protected thanks to the passivation layer. Extensive analytical studies and FEM simulations, together with experimental characterization in open-loop and closedloop configuration of the fabricated CMOS-MEMS devices are addressed, offering an invaluable source of information for design optimization. Four-anchored plate resonators operating in the MHz range are designed and evaluated to work as a gas sensor with specific surface functionalization (via dip-cast immersion and inkjet polymer deposition) achieving a mass resolution per unit area as low as 213 pg·cm-2·Hz-1 and an Allan deviation below 0.5 ppm. Tolerance against environment perturbations such as temperature, humidity and fluid flow are discussed in detail for multiple anchor topologies, providing an optimum folded flexure alternative that alleviates such disturbances by 20-times. After P4V polymer coating, the fabricated system demonstrated acetone detection with a resolution down to 20 ppb that directly points towards non-invasive exhaled breath diagnosis for diabetic patients. In the case of calorimetric sensing, CC-Beams resonators in the MHz range have been designed as the temperature sensor providing extremely high temperature sensitivity up to -7900 ppm·ºC-1 that, together with a fair sub-ppm Allan deviation, achieves an outstanding temperature resolution of 300 μK. In this line, a cointegration of the resonator within a microfluidics PDMS-based platform has been developed that enables a Lab-on-Chip CMOS-compatible system capable of routing a fluid of interest to interact with a CMOS electrode. A conformal 2D planarization process is proposed to increase the IC active surface, combined with a standard wire bonding technique for socket connection. The obtained results confirm micro-calorimetric operation with an experimentally measured thermal efficiency from sample to resonator of 20%, conducting to an energy and heat resolutions as low as of 150 pJ and 630 nW, respectively.

[cat] La diversificació de funcionalitats en un mateix sistema integrat intrínsec a l’aproximació “More than Moore” ha evidenciat un interès creixent en els dispositius basats en ressonadors MEMS per aplicacions tipus “System-on-Chip” gràcies a la seva capacitat de miniaturització, a la implementació directa d’esquemes de lectura elèctrics i a la seva possible integració amb les tecnologies actuals de fabricació de circuits integrats. Aquests avantatges els fan candidats idonis pel desenvolupament d’aplicacions de bio-sensat en l’àmbit de la química i de la biologia donada la seva portabilitat, elevat rendiment, dimensions reduïdes i temps mínim de processat. Aquest treball de tesi es focalitza en l’anàlisi, disseny i desenvolupament de ressonadors MEMS orientats i optimitzats per a la detecció de COVs i pel sensat calorimètric, integrats monolíticament amb circuits CMOS de lectura mitjançant l’ús d’una tecnologia comercial CMOS de 0.35-μm i d’una estratègia de fabricació CMOS-MEMS. Els ressonadors MEMS desenvolupats poden operar en mode oscil·lador, gràcies a la implementació d’un esquema elèctric amb actuació electrostàtica i lectura capacitiva, que permet la seva connexió directa a un circuit amplificador específic obtenint-se així un senyal de sortida quasi digital. Els dispositius MEMS s’han mecanitzat emprant les capes disponibles de la tecnologia CMOS mitjançant una aproximació intra-CMOS per la seva fabricació. Aquesta requereix d’una etapa posterior de gravat humit per a l’alliberació de les parts mecàniques mòbils dels ressonadors basada en l’eliminació de l’òxid de sacrifici tot mantenint-se protegit la resta del circuit integrat gràcies a la capa de passivació. En aquest treball es presenten un gran nombre d’estudis analítics i simulacions FEM que, juntament amb la caracterització experimental tant en llaç obert com en llaç tancat dels diferents dispositius CMOS-MEMS fabricats, suposen una important font d’informació per a l’optimització dels dissenys. S’han dissenyat ressonadors tipus plataforma amb quatre ancoratges que operen dins el rang dels MHz i seguidament, s’han avaluat per la seva operació com a sensors de gas gravimètrics mitjançant una funcionalització superficial específica (ja sigui a través d’immersió en dissolució o bé per deposició d’un polímer emprant impressió de tinta) amb els que s’ha obtingut una resolució en massa per unitat de superfície de 213 pg·cm-2·Hz-1 així com una desviació d’Allan inferior als 0.5 ppm. Addicionalment s’ha analitzat la tolerància que presenten varies topologies de suport front a pertorbacions ambientals com la temperatura, la humitat i el flux d’un gas constatant que les estructures tipus “U” minimitzen aquests efectes fins 20 vegades. Mitjançant la deposició del polímer P4V sobre els sistemes fabricats, s’ha demostrat la capacitat de detectar acetona amb una resolució de 20 ppb el que capacita per la seva potencial aplicació en el diagnosi clínic de pacients diabètics de forma no invasiva per mitjà de l’exhalat. En el cas dels sensors calorimètrics, s’han dissenyat ressonadors tipus pont amb dos ancoratges que operen dins el rang dels MHz i funcionen com a sensors de temperatura de molt alta sensibilitat assolint un valors de fins a -7900 ppm·ºC-1 que, juntament amb una desviació Allan de l’oscil·lador inferior a ppm, s’assoleix una excel·lent resolució tèrmica de 300 μK. En aquesta línia d’actuació, s’ha desenvolupat tot un procés de co-integració dels ressonadors juntament amb una plataforma de microfluídica basada en PDMS amb el que s’obté un sistema tipus “Lab-on-Chip” compatible amb circuits integrats i que permet dirigir un fluid d’interès per a la seva interacció sobre un elèctrode CMOS. Es presenta un procés de planarització 2D, que permet incrementar la superfície efectiva del xip, juntament amb la utilització de la tècnica “wire bonding” estàndard per a la connexió elèctrica amb l’encapsulat. Els resultats experimentals confirmen l’operació del sistema com a micro-calorímetre obtenint una eficiència tèrmica de la mostra cap al ressonador del 20%, que esdevé en una resolució d’energia i calor de 150 pJ i 630 nW, respectivament.

[spa] La diversificación de funcionalidades en un mismo sistema integrado intrínseca a la aproximación “More than Moore” ha evidenciado un interés creciente en los dispositivos basados en resonadores MEMS para aplicaciones tipo “System-on-Chip” gracias a su capacidad de miniaturización, a la implementación directa de esquemas de lectura eléctricos y a su posible integración con las tecnologías actuales de fabricación de circuitos integrados. Estas ventajas los hacen candidatos idóneos para el desarrollo de aplicaciones de bio-sensado en el ámbito de la química y de la biología dada su portabilidad, elevado rendimiento, tamaño reducido y tiempo mínimo de procesado. Este trabajo de tesis se focaliza en el análisis, diseño y desarrollo de resonadores MEMS, orientados y optimizados para la detección de COVs y para sensado calorimétrico, integrados monolíticamente con circuitos CMOS de lectura mediante el uso de una tecnología comercial CMOS de 0.35-μm y de una estrategia de fabricación CMOS-MEMS. Los resonadores MEMS desarrollados pueden operar como oscilador, gracias a la implementación de un esquema eléctrico con actuación electrostática y lectura capacitiva, que permite su conexión directa a un circuito amplificador específico obteniéndose así una señal de salida casi digital. Los dispositivos MEMS se han mecanizado utilizando las capas disponibles de la tecnología CMOS mediante una aproximación intra-CMOS para su fabricación. Esta requiere de una etapa posterior de gravado húmedo para la liberación de las partes mecánicas móviles de los resonadores basada en la eliminación del óxido de sacrificio manteniéndose protegido el resto del circuito integrado gracias a una capa de pasivación. En este trabajo se presentan un gran número de estudios analíticos y simulaciones FEM que, junto con la caracterización experimental tanto en lazo abierto como lazo cerrado de los diferentes dispositivos CMOSMEMS fabricados, suponen una importante fuente de información para la optimización de los diseños. Se han diseñado resonadores tipo plataforma con cuatro anclajes que operan en el rango de los MHz y seguidamente, se han evaluado para su operación como sensores de gas gravimétricos mediante una funcionalización superficial específica (ya sea a través de inmersión en disolución o bien por deposición de un polímero usando impresión de tinta) con los que se ha obtenido una resolución en masa por unidad de superficie de 213 pg·cm-2·Hz-1 así como una desviación Allan inferior a los 0.5 ppm. Adicionalmente se ha analizado la tolerancia que presentan varias topologías de anclaje frente a perturbaciones ambientales como la temperatura, la humedad y el flujo de un gas constatándose que las estructuras tipo “U” minimizan estos efectos hasta 20 veces. Mediante la deposición del polímero P4V sobre los sistemas fabricados, se ha demostrado la capacidad de detectar acetona con una resolución de 20 ppb lo que capacita para su potencial aplicación en el diagnóstico clínico de pacientes diabéticos de forma no invasiva a través del exhalado. En el caso de los sensores calorimétricos, se han diseñado resonadores tipo puente de doble anclaje que operan en el rango de los MHz y funcionan como sensores de temperatura de muy alta sensibilidad alcanzando valores de hasta -7900 ppm·ºC-1 que, junto con una desviación Allan del oscilador inferior a ppm, se consigue una excelente resolución térmica de hasta 300 μK. En esta línea de actuación, se ha desarrollado todo un proceso de co-integración de los resonadores junto con una plataforma de microfluídica basada en PDMS con lo que se obtiene un sistema tipo “Lab-on-Chip” compatible con circuitos integrados y que permite dirigir un fluido de interés para su interacción sobre un electrodo CMOS. Se presenta un proceso de planarización 2D, que permite incrementar la superficie efectiva del chip, junto con la utilización de la técnica “wire bonding” estándar para la conexión eléctrica con el encapsulado. Los resultados experimentales confirman la operación del sistema como micro-calorímetro obteniendo una eficiencia térmica de la muestra hacia el resonador del 20%, lo que supone una resolución de energía y calor de 150 pJ y 630 nW, respectivamente.