Novel high-resolution BAW ultrasonic sensors based on CMOS-compatible AlN transducers operated in a pulse-echo scheme

Abstract

Les tecnologies i els dispositius d’ones acústiques han estat en ús comercial per a telecomunicacions, detecció de pressió per a automoció, proves no destructives i atenció mèdica durant més de 60 anys; la seva aplicació també s’estén a la indústria i acadèmia, on es poden trobar desenes de sensors físics, químics i biològics. La majoria dels dispositius d’ones acústiques es poden fer servir com a sensors perquè són sensibles a les pertorbacions mecàniques, químiques o elèctriques a les seves superfícies, podent monitoritzar no només els canvis de massa/densitat, sinó també els canvis en el mòdul elàstic, la viscositat , les propietats dielèctrics i de conductivitat. Exemples de sensors basats en ones acústiques inclouen: sensors de temperatura, humitat, tensió, pressió, xoc, acceleració, flux, viscositat, contaminants iònics, nivells de pH, camps elèctrics, magnètics i de radiació, gas i explosius. La microbalança de vidre de quars (QCM) representa el mecanisme de funcionament típic de la majoria dels dispositius d’ones acústiques: en aplicar un voltatge altern als seus elèctrodes, l’estructura experimenta deformacions a una determinada freqüència ressonant que canvia depenent de les pertorbacions a la seva superfície, com l’addició o eliminació de massa o canvis al seu entorn. Tot i l’ús extensiu de QCM en diverses disciplines de la ciència i la tecnologia, els dispositius actuals d’ones acústiques de pel·lícula prima fabricats amb tecnologia MEMS són més petits, més prims, poden integrar-se monolíticament amb circuits CMOS i ofereixen més resolució, oferint així producció massiva i de baix cost de microsensors d’ones acústiques llestos per ser integrats en sistemes Lab-on-a-Chip. Els ressonadors acústics de pel·lícula fina (FBAR) són els darrers desenvolupaments en dispositius d’ones acústiques; tenen una estructura similar als dispositius QCM però amb l’avantatge de ser diversos ordres de magnitud més petits i capaços de treballar al rang de GHz, cosa que els proporciona una sensibilitat superior. Desafortunadament, els FBAR de tipus membrana tenen un baix rendiment en fabricació a causa de la tensió residual i quan funcionen com a sensors tendeixen a ser trencadissos quan se submergeixen en entorns líquids, mentre que els FBAR que usen miralls acústics requereixen múltiples passos de deposició controlats amb precisió per als miralls acústics, cosa que augmenta la complexitat del dispositiu i fa que el seu rendiment depengui de defectes de fabricació. El senyal de sortida de la majoria dels sensors d’ones acústiques és el canvi de freqüència dels seus modes de ressonància, que es correlacionen amb el mesurament quantitatiu dels canvis físics a la superfície de detecció. Això darrer representa un dels principals inconvenients dels actuals dispositius d’ones acústiques; la majoria requereixen mecanismes elaborats per al control del senyal i circuits de lectura relativament complexos capaços de detectar canvis de freqüència a la corba d’impedància causats per canvis en la càrrega acústica acoblada al ressonador. Per superar aquest problema, aquest treball descriu el disseny, la simulació, la caracterització i les proves d’un sensor BAW que opera de manera longitudinal capaç d’estudiar les propietats de compressió dels fluids en interrogar les mostres líquides amb polsos curts d’ultrasò. Això permetria aplicacions com la identificació i classificació de diferents líquids a microescala o lestudi de canvis de concentració de barreges simplement mesurant la diferència en el nivell de voltatge de sortida. Aquesta contribució supera les restriccions actuals dels ressonadors acústics de pel·lícula, com ara la fragilitat d’operació en ambients líquids, l’alt cost de fabricació o les limitacions quant a microcanals estrets; oferint una alternativa a les aplicacions que demanen ultra baix consum, miniaturització, versatilitat i facilitat de lectura.

Las tecnologías y dispositivos de ondas acústicas han estado en uso comercial para telecomunicaciones, detección de presión para automoción, pruebas no destructivas y atención médica durante más de 60 años; su aplicación también se extiende a la industria y la academia, donde se pueden encontrar decenas de sensores físicos, químicos y biológicos. La mayoría de los dispositivos de ondas acústicas se pueden usar como sensores porque son sensibles a las perturbaciones mecánicas, químicas o eléctricas en sus superficies, pudiendo monitorear no solo los cambios de masa/densidad, sino también los cambios en el módulo elástico, la viscosidad, las propiedades dieléctricas y de conductividad. Ejemplos de sensores basados en ondas acústicas incluyen: sensores de temperatura, humedad, tensión, presión, choque, aceleración, flujo, viscosidad, contaminantes iónicos, niveles de pH, campos eléctricos, magnéticos y de radiación, gas y explosivos. La microbalanza de cristal de cuarzo (QCM), representa el mecanismo de funcionamiento típico de la mayoría de los dispositivos de ondas acústicas: al aplicar un voltaje alterno a sus electrodos, la estructura experimenta deformaciones a una determinada frecuencia resonante que cambia dependiendo de las perturbaciones en su superficie, como la adición o eliminación de masa o cambios en su entorno. A pesar del uso extensivo de QCM en varias disciplinas de la ciencia y la tecnología, los dispositivos actuales de ondas acústicas de película delgada fabricados con tecnología MEMS son más pequeños, más delgados, pueden integrarse monolíticamente con circuitos CMOS y ofrecen mayor resolución, ofreciendo así producción masiva y de bajo costo de microsensores de ondas acústicas listos para ser integrados en sistemas Lab-on-a-Chip. Los resonadores acústicos de película fina (FBAR) son los últimos desarrollos en dispositivos de ondas acústicas; tienen una estructura similar a los dispositivos QCM pero con la ventaja de ser varios órdenes de magnitud más pequeños y capaces de trabajar en el rango de GHz, lo que les proporciona una sensibilidad superior. Desafortunadamente, los FBAR de tipo membrana tienen un bajo rendimiento en fabricación debido a la tensión residual y cuando funcionan como sensores tienden a ser quebradizos cuando se sumergen en entornos líquidos, mientras que los FBAR que usan espejos acústicos requieren múltiples pasos de deposición controlados con precisión para los espejos acústicos, lo que aumenta la complejidad del dispositivo y hace que su rendimiento dependa de defectos de fabricación. La señal de salida de la mayoría de los sensores de ondas acústicas es el cambio de frecuencia de sus modos de resonancia, que se correlacionan con la medición cuantitativa de los cambios físicos en la superficie de detección. Esto último representa uno de los principales inconvenientes de los actuales dispositivos de ondas acústicas; la mayoría de ellos requieren mecanismos elaborados para el control de la señal y circuitos de lectura relativamente complejos capaces de detectar cambios de frecuencia en la curva de impedancia causados por cambios en la carga acústica acoplada al resonador. Para superar ese problema, este trabajo describe el diseño, simulación, caracterización y pruebas de un sensor BAW que opera en modo longitudinal capaz de estudiar las propiedades de compresión de los fluidos al interrogar las muestras líquidas con pulsos cortos de ultrasonido. Esto permitiría aplicaciones como la identificación y clasificación de diferentes líquidos a microescala o el estudio de cambios de concentración de mezclas simplemente midiendo la diferencia en el nivel de voltaje de salida. Esta contribución supera las restricciones actuales de los resonadores acústicos de película, como la fragilidad de operación en ambientes líquidos, el alto costo de fabricación o las limitaciones en cuanto a microcanales estrechos; ofreciendo una alternativa a las aplicaciones que demandan ultra bajo consumo, miniaturización, versatilidad y facilidad de lectura.

Acoustic wave technologies and devices have been in commercial use for telecommunications, pressure sensing for automotive, non-destructive testing and healthcare for more than 60 years; their application also extends to industry and academia, where dozens of physical, chemical, and biological sensors can be found. Most acoustic wave devices can be used as sensors because they are sensitive to mechanical, chemical, or electrical perturbations on their surfaces, being able to monitor not only mass/density changes, but also changes in elastic modulus, viscosity, dielectric and conductivity properties. Examples of sensors based on acoustic waves include: temperature sensors, moisture, strain, pressure, shock, acceleration, flow, viscosity, ionic contaminants, pH levels, electric, magnetic and radiation fields, gas and explosives. The Quartz Crystal Microbalance (QCM), a resonator made of a piezoelectric material sandwiched between two metallic electrodes, embodies the typical operating mechanism of most acoustic wave devices: By applying an alternate voltage to its electrodes, the structure experiences deformations at a determined resonant frequency, which may change depending on disturbances on its surface such as addition or removal of mass or changes on their environment such as temperature drift. Despite the extensive use of QCM in various disciplines of science and technology in past decades, current thin film acoustic wave devices fabricated with MEMS technology are smaller, thinner, can reach higher frequencies for improved resolution and can be monolithically integrated with CMOS circuitry, thus offering low-cost and mass production of acoustic wave microsensors ready to be integrated in Lab-on-a-Chip systems. The Thin Film Bulk Acoustic Resonators (FBAR) are the latest development thin film acoustic wave devices; they have a structure similar to QCM devices but with the advantage of being several orders of magnitude smaller and capable of work in the GHz range, which provides them with superior sensitivity. Unfortunately, membrane-type FBARs have low yield at fabrication due to residual stress and when operating as sensors they tend to be brittle when submerged in liquid environments, whereas FBARs using Bragg acoustic mirrors require multiple precisely controlled deposition steps for the acoustic mirrors, raising complexity of the device and causing its performance to be dependent on manufacturing defects. The output signal of most acoustic wave sensors is frequency shift of their resonance modes, which are correlated with quantitative measurement of physical changes on the detection surface or chemical or biological molecules bound to the chemically modified surface in the case of biosensors. The latter represents one of the main drawbacks of current acoustic wave devices; most of them require elaborate mechanisms for signal control and relatively complex read-out circuitry capable of detecting frequency shift in the impedance curve caused by changes of the acoustic load coupled to the resonator. To overcome that problem, this work describes the design, simulation, characterization and tests of a BAW sensor operating in longitudinal mode capable of studying the compressional properties of fluids by interrogating the liquid samples with short pulses of ultrasound. This would allow applications such as identification and classification different liquids at microscale or studying concentration changes of mixtures simply by measuring difference in output voltage level. This contribution overcomes current restrictions of film acoustic resonators such as fragility of operation in liquid environments, high manufacturing cost or limitations regarding narrow microchannels; offering an alternative to applications that demand ultra-low consumption, miniaturization, versatility and ease of readout.