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Trabajo Fin de Master

Master Universitario en Microelectronica: Diseno y Aplicacionesde Sistemas Micro/Nanometricos

Diseno de un Sistema de MicrosensoresQuımicos basados en MEMS

Fernando Martınez MartıDiciembre de 2012

Trabajo Fin de Master

Master Universitario en Microelectronica: Diseno y Aplicacionesde Sistemas Micro/Nanometricos

Diseno de un Sistema de MicrosensoresQuımicos basados en MEMS

Fernando Martınez MartıDiciembre de 2012

Dirigido por:Ricardo Carmona Galan

Jorge Mendoza Lopez

Agradecimientos

A ti, porque sobran las palabras y porque siempre estas ahı.A mi familia, por su eterna confianza.A los profesores Alberto J. Palma y Jesus Banqueri, por confiar y darme la opor-tunidad de empezar mi carrera investigadora, y a Almudena Rivadeneyra, por lasinfinitas horas solo para llegar a entender las siglas MEMS.A mis dos tutores, Ricardo y Jorge, porque a pesar de los kilometros y la dificultadque implica hacer un trabajo de fin de master en la distancia, siempre han estadodispuestos a ayudarme cuando los he necesitado.

I

Resumen

Palabras Clave

MEMS, sensor capacitivo, polımero, POLYMUMPs, CMOS, VOC, Lab-On-Chip.

Resumen

En los ultimos anos la deteccion de las moleculas o componentes quımicos es una ta-rea de interes general para conocer aspectos cualitativos o cuantitativos de un com-ponente quımico especıfico. Para ello durante el presente trabajo se ha disenado unsistema de microsensores quımicos basados en tecnologıas MEMS. Estos microsenso-res funcionan mediante un polımero como elemento sensor, y son de tipo capacitivoplano paralelos. Los sensores se han disenado mediante tecnologıa MEMS multi-projecto (MPW) con el objetivo de abaratar costes. Como post-procesamiento delos dados se realizara una deposicion del polımero sobre los MEMS fabricados me-diante impresora de inyeccion de tinta FujiFillm Dimatix DMP-2831. Ademas, sepresentara el diseno de un circuito de acondicionamiento basado en un amplificadorde carga, en el que la variacion de la capacidad del sensor producira una variacionen tension de salida.

Abstract

Keywords

MEMS, capacitive sensor, polimer, POLYMUMPs, CMOS, VOC, Lab-On-Chip.

Abstract

In recent years, the detection of molecules or chemical compounds is a task of inter-est to know qualitative and quantitative aspects of a specific chemical component.In this thesis work, a system based on chemical microsensor MEMS technologywas designed. This system is based on a series of capacitive MEMS sensors basedon polymers as sensing element. These sensors are parallel plate capacitive sensorstype, and as a dielectric material they include polymers deposited using an ink-jet printer FujiFillm Dimatix DMP-2831. In addition, a conditioning circuit designwill be provided based on a charge amplifier, in which the variation of the MEMScapacitive sensor will produce a variation of the output voltage.

Glosario

AC: Alternating Current (Corriente Alterna).

Adiol: Poly(diallylsiloxane)fluoroalcohol.

AuHFA: Fluoroalcohol coated gold nanospheres.

BSAC: Berkeley Sensors and Actuators Center.

C12H11NO2: Carbaryl.

C3H6O: Acetone (Acetona).

CO2: Carbon Dioxide (Dioxido de Carbono).

DI: Deionized water (Agua Desionizada).

DIMP: Diisopropylmethylphosphonate.

DNT: Dinitro-Toluene.

FEM: Finite Elements Method (Metodo de elementos finitos).

HC: Hydrocarbon (Hidrocarburo).

HF: Hydrofluoric acid (Acido Fluorhıdrico).

ICMR: Input Common-Mode Range (Rango de Entrada de Modo Comun).

LIGA: Lithographie, Galvanoformung, Abformung.

LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposicion (Deposicion Quımica en Fasede Vapor de baja presion).

MEMS: Microelectromechanical Systems (Sistemas Microelectromecanicos).

MUMPS: Multi-User MEMS Processes (Proceso MEMS Multi-Usuario).

MPW: Multi-Project Wafer (Oblea Multi-Proyecto).

NH3: Ammonia (Amonio).

VII

VIII

NO: Nitric Oxide (Oxido Nitrico).

NO2: Nitrogen Dioxide (Dioxido de Nitrogeno).

OPA: Operational Amplifier (Amplificador Operacional).

PEMA: Poly(Ethyl Methacrylate).

PHEMA: Poly(2-hydroxy Styrene Methacrylate).

ppm: Parts per million (Partes por millon).

PSG: Phosphosilicate Glass (Cristal de Fosfosilicato).

RF: Radiofrequency (Radiofrecuencia).

RIE: Reactive Ion Etch.

SO2: Sulphur Dioxide (Dioxido de Azufre).

SOI: Silicon On Insulator (Silicio sobre aislante).

SXFA: Siloxanefluoro Alcohol.

VOC: Volatile Organic Compound (Compuestos Organicos Volatiles).

Indice general

1. Introduccion 11.1. Los Sistemas Microelectromecanicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Proceso de fabricacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3. Clasificacion de Sensores MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1. Sensores Resistivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.2. Sensores Capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.3. Sensores Piezoelectricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3.4. Sensores Resonantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3.5. Sensores Termoelectricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.6. Sensores Magneticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4. Sensores Quımicos MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseno para MEMS . . . . . . . . . . 19

1.5.1. Tronics Microsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.5.2. MEMSCAP MUMPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.6. Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.7. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2. Estado del arte de los sensores MEMS quımicos 272.1. Sensores Resistivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2. Sensores Capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.1. Interdigitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.2. Placas Plano Paralelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3. Otros tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3. Propuesta de diseno de Microsensores MEMS 353.1. Diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1.1. Estructura cuadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1.2. Estructura Circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.3. Estructura Hexagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2. Simulacion en COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.1. Sensor Cuadrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

XI

XII Indice general

3.3.2. Sensor Circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.3.3. Sensor Hexagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.4.1. Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4. Circuito de Acondicionamiento 654.1. Diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1.1. Diseno sobre Macromodelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.1.2. Diseno del OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5. Conclusiones y Trabajos Futuros 735.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.2. Trabajos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

A. Proceso PolyMUMPs 77

B. AMS 0.35µm 85

Bibliografıa 89

Indice de figuras

1.1. Ejemplos de dispositivos MEMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2. Flujo de fabricacion de sensores MEMS[1]. . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3. Pasos en un proceso tıpico de “Surface Micromachining”. . . . . . . 6

1.4. Pasos en un proceso tıpico de “Bulk Micromachining”. . . . . . . . . 7

1.5. Concepto de piezorresistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.6. Concepto de magnetorresistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.7. Concepto de termorresistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.8. Concepto de Condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.9. Concepto de Sensor Piezoelectrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.10. Concepto de Sensor Resonante de frecuencia variable. . . . . . . . . 12

1.11. Concepto de Sensor Resonante de amplitud variable. . . . . . . . . . 13

1.12. Efecto termoelectrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.13. Sensores Magneticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.14. Definicion y estructura de un sensor quımico. . . . . . . . . . . . . . 16

1.15. Cambio en la respuesta en frecuencia de un conmutador capacitivoante diferentes analitos[2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.16. Seccion de la oblea en tecnologıa Tronics. . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.17. Seccion de la oblea en tecnologıa PolyMUMPs[3]. . . . . . . . . . . . 21

1.18. Micro-actuador electrostatico MEMS fabricado en PolyMUMPs[4]. . 22

1.19. Seccion de la oblea en tecnologıa SOIMUMPs[5]. . . . . . . . . . . . 23

1.20. Ejemplo de una micropinza electroestatica MEMS fabricada en SOIMUMPs[6]. 24

1.21. Seccion de la oblea en tecnologıa MetalMUMPs[7]. . . . . . . . . . . 24

1.22. Ejemplo de un condensador variable fabricado en MetalMUMPs[8]. . 25

2.1. Esquema del cambio de resistividad[9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2. Esquematico sensor de gas con polımeros conductivos[10]. . . . . . . 30

2.3. Condensador interdigital formado por 6 fingers. . . . . . . . . . . . . 31

2.4. Estructuras interdigitales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5. Disenos de sensores de humedad en proceso CMOS[11]. . . . . . . . 32

2.6. Propuesta de diseno de sensor quımico capacitivo[12]. . . . . . . . . 33

2.7. Esquematico del sistema sensor realizado por Maute et al.[13]. . . . . 34

XIII

XIV INDICE DE FIGURAS

3.1. Software empleado durante el diseno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2. Vistas del sensor cuadrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3. Vistas del sensor circular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.4. Vistas del sensor hexagonal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.5. Modulos fısicos de COMSOL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6. Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Cuadrado). . . . . . . . . . . . 463.7. Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Cuadrado). . . . . . . . . . 473.8. Capacidad vs Carbaryl (Sensor Cuadrado). . . . . . . . . . . . . . . 473.9. Capacidad vs DIMP (Sensor Cuadrado). . . . . . . . . . . . . . . . . 483.10. AuHFA como dielectrico (Sensor Cuadrado). . . . . . . . . . . . . . 493.11. Capacidad vs Acetona (Sensor Cuadrado). . . . . . . . . . . . . . . . 503.12. Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Circular). . . . . . . . . . . . . 513.13. Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Circular). . . . . . . . . . . 523.14. Capacidad vs Carbaryl (Sensor Circular). . . . . . . . . . . . . . . . 523.15. Capacidad vs DIMP (Sensor Circular). . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.16. AuHFA como dielectrico (Sensor Circular). . . . . . . . . . . . . . . 543.17. Capacidad vs Acetona (Sensor Circular). . . . . . . . . . . . . . . . . 553.18. Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Hexagonal). . . . . . . . . . . 563.19. Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Hexagonal). . . . . . . . . 573.20. Capacidad vs Carbaryl (Sensor Hexagonal). . . . . . . . . . . . . . . 573.21. Capacidad vs DIMP (Sensor Hexagonal). . . . . . . . . . . . . . . . 583.22. Capacidad vs Acetona (Sensor Hexagonal). . . . . . . . . . . . . . . 583.23. AuHFA como dielectrico (Sensor Hexagonal). . . . . . . . . . . . . . 593.24. Layout del sensor cuadrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.25. Aumento de diez veces mas del eje Z del sensor cuadrado. . . . . . . 623.26. Sensor cuadrado generador por CoventorWare. . . . . . . . . . . . . 63

4.1. Circuito de acondicionamiento basado en amplificador de carga. . . . 664.2. Macromodelo del amplificador operacional disenado. . . . . . . . . . 674.3. Simulacion del circuito de acondicionamiento con el macromodelo del

amplificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.4. Amplificador diferencial disenado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.5. Ganancia Diferencial del OTA disenado. . . . . . . . . . . . . . . . . 704.6. Simulacion de variacion del sensor capacitivo con el OTA disenado. . 714.7. Relacion C1 (capacidad del sensor) con la tension de salida. . . . . . 71

A.1. Oblea dopada con fosforo, deposicion LPCVD de nitruro y polisi-licio. Recubrimiento con fotoresistencia para modelar el polisiliciomediante fotolitografıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

A.2. Despues de la exposicion de la fotoresistencia a luz ultravioleta. . . . 79A.3. Grabado RIE sobre el polisilicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79A.4. Deposicion de la primera capa de oxido. . . . . . . . . . . . . . . . . 79A.5. Fotolitografıa de la capa de sacrificio para crear los dimples. . . . . . 79A.6. Grabado RIE para la definicion de la capa Anchor1. . . . . . . . . . 80

INDICE DE FIGURAS XV

A.7. Recocido de PSG sobre la capa de Poly1. . . . . . . . . . . . . . . . 80A.8. Grabado sobre la capa de Poly1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80A.9. Grabado sobre la capa de Poly1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81A.10.Grabado sobre la capa de Oxido1 para llegar a la capa de Poly1. . . 81A.11.Niveles Poly1 Poly2 Via y Anchor2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82A.12.Deposicion de la mascara de PSG sobre la capa de Poly2. . . . . . . 82A.13.Fotolitografıa y grabado sobre Poly2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82A.14.Deposicion del metal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83A.15.Eliminacion de la capa de Oxido2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

XVI INDICE DE FIGURAS

Indice de tablas

1.1. Comparativa entre microsistema y micromodulo[2]. . . . . . . . . . . 51.2. Espesores de las diferentes capas del proceso PolyMUMPs. . . . . . . 22

3.1. Parametros geometricos del sensor cuadrado. . . . . . . . . . . . . . 373.2. Parametros geometricos del sensor circular. . . . . . . . . . . . . . . 393.3. Parametros geometricos del sensor hexagonal. . . . . . . . . . . . . . 423.4. Polımeros y analitos estudiados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.5. Tabla resumen de las simulaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1. Parametros del macromodelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.2. Dimensiones de los transistores del amplificador diferencial. . . . . . 70

XVII

XVIII INDICE DE TABLAS

Capıtulo 1

Introduccion

Contenidos1.1. Los Sistemas Microelectromecanicos . . . . . . . . . . . 2

1.2. Proceso de fabricacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3. Clasificacion de Sensores MEMS . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1. Sensores Resistivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.2. Sensores Capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.3. Sensores Piezoelectricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.4. Sensores Resonantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.5. Sensores Termoelectricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.6. Sensores Magneticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4. Sensores Quımicos MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseno para MEMS . . 19

1.5.1. Tronics Microsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5.2. MEMSCAP MUMPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.6. Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.7. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1

2 Capıtulo 1. Introduccion

Actualmente existen multitud de aplicaciones de muy diversa ındole para eldiseno de MEMS, en primer lugar se van a introducir en que consisten estos sistemasy que tipo de aplicaciones se puede llevar a cabo[2].

1.1. Los Sistemas Microelectromecanicos

MEMS[14] es el acronimo de Microelectromechanical Systems, y hace referenciaa sistemas electromecanicos del orden del micrometro. Por lo tanto, podemos decirque los MEMS son maquinas de dimensiones muy reducidas. Sin embargo, muchasveces la interpretacion literal de las siglas puede dar lugar a confusiones, ya que notodos los MEMS tienen por que incluir parte mecanica o parte electrica.

Los MEMS se encuentran en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendosensores para el desarrollo de los air-bags de automoviles, giroscopios a microescalapara aplicaciones aeroespaciales, cabeceros de impresoras de chorro de tinta, con-mutadores de radio frecuencia (RF) para celdas moviles y otros dispositivos paracomunicaciones inalambricas, dispositivos para deteccion quımica y biologica; y otralarga lista de aplicaciones.

En microescala, muchos de los fenomenos fısicos que son despreciados en elmundo macroscopico pueden llegar a ser caracterısticas dominantes. Estos fenome-nos son a menudo explotados ingeniosamente, resultando en dispositivos MEMS conprincipios de operacion completamente diferentes de sus homologos en macroescala.Ademas, en fabricacion, una estructura de 100 µm de longitud requiere un conjuntode tecnicas y procesos muy diferentes de los que se utilizan en macroescala. Por eso,existen un reducido numero de soluciones estandar en este campo, y los tecnologosdeben recurrir a los principios fısicos fundamentales de diversas disciplinas paracompletar su tarea.

Utilidad y Aplicaciones de los MEMS

Los MEMS permiten el disenar y construir sensores y transductores, junto conlos circuitos de medida, control y acondicionamiento de la senal, equipados ademascon sus modulos de alimentacion y comunicaciones en un area muy reducida. Estopermite ser mas preciso, fabricar a un coste mas efectivo ası como conseguir unaautonomıa mayor del sistema.

Diseno de MEMS

Para el diseno de MEMS se necesitan herramientas de CAD. Para el layout seutilizan herramientas como Cadence o CoventorWare entre otras. Mientras quepara el diseno y simulaciones previas se pueden utilizar herramientas de simulacionpor elementos fınitos (FEM) como por ejemplo COMSOL o incluso Coventor-Ware o para la simulacion comportamental se pueden utilizar herramientas comoMEMS+ tambien perteneciente a la empresa Coventor.

1.1. Los Sistemas Microelectromecanicos 3

Una de las posibilidades que permite MEMS+, es su integracion con Cadence,lo que lo convierte en una herramienta muy interesante para simular su compor-tamiento a traves de impulsos electricos o simular impulsos fısicos por medio deelementos electricos.

Ademas, al igual que para el diseno de circuitos integrados en tecnologıa CMOS,en el diseno de MEMS es necesario seguir unas reglas de diseno a la hora de lafabricacion. Algunos procesos MEMS de distintas foundries ofrecidos actualmentea traves de Europractice [15] son:

Tronics MEMSSOI technology

MEMSCAP MUMPs technologies:

PolyMUMPs

METALMUMPs

SOIMUMPs

imec SiGeMEMS technology

En secciones posteriores se explicaran estas tecnologıas y la elegida para el disenodel presente proyecto.

Areas de Aplicacion de los MEMS

Existe una gran variedad de dispositivos y de aplicaciones actualmente, aunquela lista sigue aumentando. Entre otras muchas aplicaciones y a modo de resumenpodemos agruparlas en:

Termicos.

Detectores de fotones.

Opticos.

Magneticos.

Mecanicos.

Quımicos.

Microfluıdica.

Biomedicina.

Microactuadores.

En la figura 1.1 podemos observar diferentes disenos MEMS para diferentespropositos.


(a) Atenuador Optico[16]. (b) Sensor de presion cardiaca[16].

(c) Acelerometro[2]. (d) Conmutador de RF[2].

Figura 1.1: Ejemplos de dispositivos MEMS.

Papel de los Circuitos Integrados con los MEMS

Como se ha explicado ya, MEMS hace referencia a Microelectromechanical Sys-tems, es decir, sistemas que combinan la operacion electrica y mecanica sobre unaoblea (normalmente)de silicio. Estos dispositivos estan llamados a ser (junto con losNEMS, que hace referencia a la escala del nanometro) las maquinas mas pequenasfabricadas por el ser humano. Por lo tanto, los circuitos integrados representan unpapel clave ya que son la herramienta necesaria para poder obtener, procesar yacondicionar las senales de los MEMS.

1.2. Proceso de fabricacion 5

Existen multitud de trabajos, como el de Hautefeuille et al. [17], que presentaun microsensor quımico de humedad, donde se ha llevado a cabo la fabricacion delsensor MEMS dentro del propio proceso de fabricacion CMOS. Esto permite que sepueda fabricar toda la circuiteria de acondicionamiento dentro de la misma oblea.Sin embargo, es mas comun la fabricacion de los sensores de forma separada a ladel circuito integrado, ya que de esa forma, los procesos se pueden customizar opersonalizar en caso de disponer del equipamiento necesario para ello; o en caso detener que recurrir a procesos estandar como los descritos en este capitulo.

Existen varias tecnicas a la hora de conectar los dispositivos MEMS con los cir-cuitos integrados, entre ellas cabe destacar el “wire bonding” [18, 19, 20], basadoen la interconexion utilizando cables muy finos entre los contactos del circuito in-tegrado y del dispositivo MEMS. Estos cables suelen fabricarse de aluminio, oro ocobre. Otra tecnica muy utilizada es el “flip-chip bonding” [19, 21, 22], basada enla union de dos chips por caras opuestas mediante puntos de soldadura en los pads.

En los sistemas de microsensores se pueden distinguir estrictamente dos modosde conexion, atendiendo a su clasificacion por microsistema o por micromodulo[2].En el caso de un microsistema, todo se fabrica en la misma oblea; en el caso deun micromodulo, IC y MEMS se fabrican por separado y se interconectan poste-riormente sobre otro sustrato. En la tabla 1.1 se puede ver una comparativa entreambas aproximaciones.

Microsistema Micromodulo+ Fiablidad + Optimiza el yield+ Minimizacion de los parasitos de interconexion + Proceso optimo para sensores y circuitos+ Ensamblado mas simple y barato + Costes escalados al tamano- Reduce el yield - Fiabilidad- Costes no escalados al tamano - Grandes parasitos de interconexion- Proceso optimo solo para sensores - Ensamblado complejo y caro

Tabla 1.1: Comparativa entre microsistema y micromodulo[2].

1.2. Proceso de fabricacion

En los ultimos anos, las herramientas que se encuentran en una sala de maqui-nas estandar, como tornos, fresadoras y sierras de cinta, han crecido enormementeen complejidad y precision. A unas velocidades sumamentes altas (∼ 60,000rpm osuperior) algunas de estas herramientas son capaces de producir caracterısticas enel rango sub-milimetrico, por lo que la tecnica llamada ”micromilling”se esta con-virtiendo en una tecnica de microfabricacion muy popular.

En la figura 1.2 se puede observar un flujo de fabricacion de MEMS.


Figura 1.2: Flujo de fabricacion de sensores MEMS[1].

La mayorıa de MEMS, sin embargo, se fabrican con un conjunto diferente deherramientas. El primer MEMS, y de hecho la mayor parte de los MEMS de hoy,se fabrican utilizando tecnicas adaptadas de la fabricacion de circuitos integrados yel procesamiento de semiconductores. Tales tecnicas consisten en crear estructurassobre sustratos delgados y planos (normalmente silicio) en una serie de procesos encapas. Esta fabricacion en capas se ilustra mejor con un par de ejemplos especıficos.Consideremos en primer lugar la creacion de un diafragma delgado y flexible que enultima instancia se puede utilizar como parte de un sensor de presion de MEMS.

Figura 1.3: Pasos en un proceso tıpico de “Surface Micromachining”.

En la figura1.3 se observa uno de los procesos de fabricacion denominado surface“micromachining” (micromecanizado superficial), en este proceso la estructura delMEMS se forma mediante deposiciones y grabados sucesivos de ciertos materiales,como polisilicios y oxidos. Existe otra tecnica, llamada “bulk micromachining” (mi-cromecanizado volumetrico, figura 1.4) en la que el sustrato en sı mismo se convierte

1.2. Proceso de fabricacion 7

en parte de la estructura del dispositivo MEMS. Mediante el proceso de microme-canizado superficial se consiguen estructuras mas finas y pequenas que mediante elmicromecanizado volumetrico, que ataca directamente a la oblea.

Figura 1.4: Pasos en un proceso tıpico de “Bulk Micromachining”.

Otro proceso para la fabriacion de dispositivos MEMS es el LIGA, este procesoesta basado basicamente en tres procesos:

Litografıa de Rayos X: a partir de una primera mascara realizada con laayuda de un canon de electrones, el patron en dos dimensiones de las micro-estructuras es duplicado por rayos X sobre una capa de polımero fotosensible.El espesor y el material de la mascara como el tamano de las micro estruc-turas determinan el espesor maximo de la capa de polımero. El patron es acontinuacion revelado para poder pasar a la etapa siguiente.

La galvanizacion por electro-deposicion: el metal es depositado sobre las micro-estructuras reveladas anteriormente, sobre todo el espesor de la capa de polımeroremanente. La estructura ası obtenida sirve directamente a la formacion enla etapa siguiente si el espesor es suficiente para la aplicacion prevista, o sonutilizadas con la mascara de la primera etapa de litografıa de rayos X, a fin deobtener estructuras mas gruesas (el metal depositado entonces es el oro, que


presenta excelentes cualidades electronicas para la electro deposicion ası comouna alta absorcion de rayos X).

El conformado: despues de la disolucion del polımero remanente alrededor delcual se ha desarrollado la galvanizacion, el bloque de metal es preparado paraservir de herramienta de formacion. Se pueden entonces fabricar en serie microestructuras en polımero por formacion (en matrices, estampado o moldeadopor inyeccion).

Debido a que el presente trabajo esta centrado en la fabricacion de senso-res quımicos de tipo capacitivo, se pueden anadir los siguientes pasos de post-procesado(fuera de la sala blanca) en el proceso de fabricacion de dispositivosMEMS:

Deposicion de electrodos de metal (utilizando tecnicas como liftoff, thermalevaporation o sputtering).

Grabado opcional para formacion de membranas para la estabilizacion antecambios de temperatura.

Deposicion de los polımeros (Spin-casting, spraying, fotolitografia, inyeccionpor impresion).

1.3. Clasificacion de Sensores MEMS

A continuacion se realizara una breve descripcion de la clasificacion y los prin-cipios de operacion de los principales tipos de MEMS.

1.3.1. Sensores Resistivos

En los sensores resistivos, la causa de la medida es un cambio en la resistenciaelectrica del material. El cambio en dicha resistencia normalmente se detecta utili-zando un circuito con una configuracion tipo puente. Existen basicamente tres tiposde sensores resistivos utilizados en MEMS:

Piezorresistivo (Mas comercializado)

Magnetorresisitivo (Tecnologıa emergente)

Termorresistivo

Piezorresistivo

Un material piezorresistivo es aquel que cambia su resistencia electrica cuandose presiona o se dobla. En la figura 1.5(a) se puede observar una piezorresistencia,en la que dicha resistividad se puede alterar doblando, estirando, o retorciendo elmaterial (figura 1.5(b)).

1.3. Clasificacion de Sensores MEMS 9

(a) Efecto piezorresistivo. (b) Metodos para crear deformacion.

Figura 1.5: Concepto de piezorresistencia.

En todo conductor, la resistencia R esta determinada por tres parametros fısicos:la resistividad, la longitud y el area de seccion. La deformacion del material afecta alos tres parametros. En metales, el efecto dominante es el cambio dimensional de lalongitud y el area, mientras que en semiconductores es la piezorresisitividad. Debidoa que el elemento sensor en los sensores MEMS piezorresistivos es normalmente ununico cristal de silicio dopado, es decir un semiconductor, generalmente se desprecianlos cambios debidos a las dimensiones y se consideran solo los cambios asociados ala piezorresistividad.

Como los cambios en los sensores piezorresistivos son muy pequenos, normal-mente se utilizan unos circuitos denominados Puente de Wheatstone para medirlos,que traducen los pequenos cambios en la resistividad del sensor a un mayor cambio,detectable con instrumentacion electronica.

Magnetorresistivo

Se definen como magnetorresistivos a aquellos sensores que en los que la resis-tividad del material cambia en presencia de un campo magnetico. Su proposito esdetectar campos magneticos.

Un ejemplo de magnetorresistencia se observa en la figura 1.6, en la que unaresistencia electrica es fabricada a partir de un material magnetorresistivo y situadaen un circuito electrico.

Figura 1.6: Concepto de magnetorresistencia.


Termorresistencia

La mayorıa de los materiales resistivos son sensibles a cambios de temperaturaambiente, lo que muchas veces produce un error en la aplicacion del sensor, porlo que se hace necesario introducir un circuito de compensacion para eliminar losefectos de la temperatura en caso de que el unico fenomeno en el que estemosinteresados sea el estres, la presion o el campo magnetico.

En la figura 1.7 podemos observar el concepto del comportamiento de una ter-morresistencia.

Figura 1.7: Concepto de termorresistencia.

1.3.2. Sensores Capacitivos

Una diferencia de tension entre dos conductores superpuestos separados por unmaterial no conductivo (aislante) provoca una acumulacion de carga en los conduc-tores. La capacidad es la caracterıstica que relaciona la carga con la tension. Conuna relacion q = C · e, donde q es la carga, C es la capacidad, y e es la tension. Elconcepto basico se observa en la figura 1.8

Figura 1.8: Concepto de Condensador.

El modo mas comun de convertir un condensador en un sensor capacitivo sueleser desplazando una de las placas del condensador, de tal forma que el area de


superposicion varıa. La mayorıa de sensores MEMS capacitivos comerciales son losque miden aceleracion o presion.

El valor de la capacidad C esta determinado por tres parametros fısicos: el areade superposicion, la distancia entre placas, y la permitividad del material entreplacas.

1.3.3. Sensores Piezoelectricos

Al presionar un material piezoelectrico este produce una carga electrica. Esteefecto es reversible, es decir, si se aplica una diferencia de tension sobre el pie-zoelectrico, este se deforma. Lo que significa que se puede utilizar tanto como sensorcomo actuador.

Normalmente se utiliza como medida de magnitudes fısicas tales como presiono aceleracion. En la figura 1.9 se observa un ejemplo sensor piezoelectrico.

Figura 1.9: Concepto de Sensor Piezoelectrico.

En el caso de estos sensores, la carga esta dada por q = C · d33, donde d33 es laconstante piezoelectrica en la direccion del eje Z, perpendicular a los electrodos. Porlo que existiran constantes piezoelectricas diferentes en diferentes ejes si el materiales anisotropico.

1.3.4. Sensores Resonantes

Resonancia es la tendencia de algunos sistemas de producir grandes amplitudesa ciertas frecuencias (frecuencia de resonancia). En un sensor resonante, el com-ponente fısico que oscila a la frecuencia de resonancia se le llama resonador, y amenudo es una fina estructura mecanica como un haz que vibra produciendo unospequenos desplazamientos a altas frecuencias.

Se pueden distinguir dos tipos de resonadores, en funcion de a que afecta lamedida, es decir, si afecta a la frecuencia de vibracion o a la amplitud de vibracion.


Resonador de frecuencia variable: deteccion de tension

En la figura 1.10 podemos observar un resonador que responda a una entradamecanica. Si el resonador esta vibrando, el aumento de la rigidez aumenta la fre-cuencia de resonancia.

Figura 1.10: Concepto de Sensor Resonante de frecuencia variable.

El sensor resonante incluye tanto un actuador para excitar el resonador y unsensor de frecuencia para medir la vibracion. El actuador provoca al resonadorvibrar a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia. Por lo que entoncesla amplitud de la vibracion es lo suficientemente grande como para que el sensor defrecuencia sea capaz de medirla. Utilizando un sistema de realimientacion, el sensorde frecuencia sintoniza con precision la frecuencia de excitacion del actuador.

Tanto el actuador como el sensor son subsistemas MEMS. El actuador puedeser un piezoelectrico, un sistema magnetico u optico, mientras que el sensor puedeser piezoelectrico o piezoresistivo.


Resonador de amplitud variable: deteccion de campo magnetico

En la imagen 1.11 se puede observar un resonador que responde ante un campomagnetico. En este tipo de sistemas, el haz se disena para resonar a la mismafrecuencia constante. A traves del haz se hace circular una corriente alterna (AC).

Figura 1.11: Concepto de Sensor Resonante de amplitud variable.

La interaccion entre la corriente y el campo magnetico produce una fuerza deLorentz F que actua doblando el haz. La direccion de la fuerza es perpendicular ala direccion de la corriente y el campo. La magnitud de esta fuerza es funcion de lacorriente, la longitud del haz y la fuerza del campo magnetico. Esta variacion de lafuerza de Lorentz, hace variar la amplitud del haz, que es medido a su vez con unsensor optico.

1.3.5. Sensores Termoelectricos

En los materiales termoelectricos, el flujo de energıa calorıfica produce un efectode tension distribuida entre dos puntos. Este efecto es reversible, es decir, si aplica-mos una diferencia de potencial a traves de un material termoelectrico se produceuna diferencia de temperatura. Por lo que se puede utilizar tanto como sensor comoactuador (utilizandolo para enfriar).

El efecto termoelectrico (o efecto Seebeck) se puede observar en la figura 1.12.Partiendo de un cable hecho de material termoelectrico, si fijamos un extremo a unafuente de calor para absorber el calor y el otro extremo a un disipador para disiparlo,el calor fluira desde la fuente al sumidero. Entre ambos puntos encontramos unadiferencia de tension e que es funcion de la temperatura T entre esos dos puntos.


Figura 1.12: Efecto termoelectrico.

El efecto termoelectrico es la base de la tecnologıa de los termopares para medirtemperatura. Un termopar se basa en dos cables de diferente material termoelectricoconectados a los mismos puntos por los extremos. La tension de salida es funciondel material y de la diferencia de temperatura entre los extremos.

En caso de necesitar aumentar la tension de salida, se pueden juntar variostermopares en serie creando una termopila.

1.3.6. Sensores Magneticos

A pesar de que ya se han tratado algunos sensores que utilizan un principio defuncionamiento parecido, a continuacion, se introduciran los sensores en los cualeslos efectos magneticos o inductivos subyacen al principio de funcionamiento delsensor.

Los efectos de transduccion magneticos se puede clasificar en dos categorıas:transduccion por reluctancia, basada en los cambios en la energıa almacenada enun campo magnetico; o por transduccion inductiva, basada en la interaccion delas partıculas cargadas en un campo magnetico. En la figura 1.13 se puede ver unejemplo de ambas.

Sensado de Reluctancia

Este tipo de sensado esta basado en la resistencia que posee un material al pasode un flujo magnetico cuando es influenciado por un campo magnetico, que es ladefinicion de reluctancia. Por lo tanto este tipo de sensores se basan en cambios enla energıa magnetica almacenada.

El valor de la reluctancia esta determinado por tres parametros fısicos: el area,la distancia de separacion y la permeabilidad magnetica.

Sensado Inductivo

Esta basado en la interaccion entre partıculas cargadas en presencia de un campomagnetico, estas partıculas se expresan en forma de corriente en un conductor omoviendose en un fluido conductivo.

1.4. Sensores Quımicos MEMS 15

(a) Concepto del sensado por reluctancia (b) Tension generada por el efecto Hall

Figura 1.13: Sensores Magneticos.

Si una espira conductora funciona mediante una fuerza y es libre de moverse enun campo magnetico, una corriente se crea o se induce en la espira.

Las fuerzas que se producen como resultado del movimiento de las partıculascargadas en un campo magnetico estan bajo la operacion de un sensado por efectoHall. Los sensores por efecto Hall se utilizan comunmente como sensores de proxi-midad.

Con este tipo de sensado podemos medir cualquier medida mecanica que creeun desplazamiento entre el campo magnetico y el conductor.

1.4. Sensores Quımicos MEMS

Durante este apartado se explicaran con mas detalle los sensores quımicos, aten-diendo a la bibliografıa estudiada, haciendo especial enfasis a los sensores sobre losque se basa el diseno de este trabajo.

La deteccion de las moleculas o componentes quımicos es una tarea de interes ge-neral para conocer aspectos cualitativos o cuantitativos de un componente quımicoespecıfico.

Las areas de aplicacion mas tıpicas en cuanto a los sensores quımicos MEMS sonel sensado de la humedad mediante pelıculas de poliimida, ya que el agua tiene unaconstante dielectrica relativamente alta a temperatura ambiente, produciendo (paralos sensores quımicos capacitivos) grandes cambios en la capacidad. En aplicacionesmas recientes se ha utilizado para la deteccion de diferentes tipos de compuestosorganicos volatiles en fase gaseosa (hidrocarburos, alcoholes, etc.) usando pelıculasde polımeros o cristales lıquidos, y la deteccion de NO, NO2, SO2 y CO2.


A menudo, los sensores quımicos consisten en una capa sensible o revestimientoy un transductor. Tras la interaccion con un compuesto quımico (como absorcion,reaccion quımica o transferencia de carga), las propiedades fisicoquımicas de la capa(como su masa, volumen, propiedades opticas o resistencia) varıan (ver figura 1.14).Estos cambios en la capa sensible se detectan por el transductor respectivo y setrasladan a una senal electrica en forma de frecuencia, corriente o tension.

Figura 1.14: Definicion y estructura de un sensor quımico.

Dependiendo de las necesidades quımicas de sensado, existe una gran variedad detransductores basados en los principios fısicos. De esta forma, los sensores quımicosse pueden clasificar en cuatro categorıas principales de acuerdo a sus principios detransduccion:

1. Sensores quımico-mecanicos (por ejemplo, cambios en la masa debido a laabsorcion).

2. Sensores termicos (cambios en la temperatura a traves de interacciones quımi-cas).

3. Sensores opticos (cambios en la intensidad de la luz debido a la absorcion).

4. Sensores electro-quımicos (cambios en el potencial o en la resistencia a travesde la transferencia de carga).

Como se ha presentado, existen multitud de tipos de sensores quımicos, en nues-tro caso nos vamos a centrar sobre los sensores de tipo electro-quımico. Este tipoconstituye el grupo mas grande y antiguo dentro de los sensores de tipo quımico.Estos hacen uso de reacciones electro-quımicas o de transferencia de carga del tipo:A+ + e− ↔ A. La electro-quımica incluye la transferencia de carga desde un elec-trodo a una muestra en fase solida o lıquida y viceversa. Los cambios quımicostienen lugar en los electrodos en una probeta con un volumen de la muestra, de talforma que se mide la carga o la corriente resultante.

1.4. Sensores Quımicos MEMS 17

Un requerimiento clave para los sensores electro-quımicos es estar cerca de uncircuito electronico, aunque puede ser que no haya flujo de corriente. Una celdaelectro-quımica esta siempre compuesta de al menos dos electrodos con dos co-nexiones electricas: una para la muestra, y otra para el transductor y equipo demedida. El transporte de carga en la muestra puede ser ionico, electronico, o unamezcla; por lo que el transductor siempre requerira de electronica.

Los sensores electro-quımicos siempre se clasifican de acuerdo a sus principioselectro-analıticos:

Voltametrıa.

Potenciometrıa.

Conductometrıa.

Este trabajo se centrara en los sensores de tipo conductometricos. Las tecni-cas conductometricas son un caso especial de tecnicas de alta impedancia en AC(Corriente Alterna). En lugar de una parte real e imaginaria de la impedancia delelectrodo a diferentes frecuencias, solo la parte resistiva (parte real), que corres-ponde al material sensible, es de interes. Debido a que las impedancias complejasincluyen contribuciones capacitivas e inductivas, los sensores quımicos capacitivosque no se basan en el efecto campo se incluyen en este tipo de sensores. Por lo tanto,lo sensores conductometricos se clasifican en dos tipos, sensores quımicos resistivosy capacitivos.

Como ya se ha explicado, el presente trabajo se concentrara en los sensoresquımicos capacitivos. Los sensores quımicos capacitivos(dielectrometros) se basanen cambios en las propiedades dielectricas del material sensor ante la exposicion deun analito. La estructuras mas tıpicas son las interdigitales analogas a los sensoresquımicos resistivos utilizados a temperatura ambiente. En algunos casos, como elplanteado en el presente trabajo, se utilizan condensadores basados en estructurasplano-paralelas con un dielectrico entre ambas placas para aumentar la sensibilidad.Las capacidades normalmente se miden a unas frecuencias de AC de unos 500 kHz.

Se producen dos cambios en la capacidad de un sensor con una capa polimericadebido a la absorcion de un analito:

1. Inflamacion

2. Cambios en la constante dielectrica debidos a la incorporacion de moleculasdel analito en la matriz del polımero.

Para una estructura interdigital simple cualquiera, el espacio que contiene el95 % de las lıneas de campo incluye el volumen del polımero con una distancia dela mitad de la periodicidad de los electrodos. Para el espesor de una capa de lamitad de la periodicidad, la inflamacion de un polımero ante la absorcion de unanalito siempre resulta en un aumento de la capacidad medida, sin tener en cuentala constante dielectrica del analito (ver ecuacion 1.2). Los resultados del aumento


del volumen del polımero/analito en la region de las lineas de campo exhiben unamayor constante dielectrica que el aire. El cambio en la capacidad para un espesor deuna capa de polımero de la mitad de la periodicidad de los electrodos se determinapor la razon de la constante dielectrica, εA (el analito se asume en fase lıquida), y elpolımero, εpoly (ecuacion 1.1). Si la constante dielectrica del polımero es menor quela del analito, entonces la capacidad aumentara. Por el contrario, si la constantedielectrica del polımero es mayor, la capacidad disminuira (ver figura 1.15). Estosefectos se describen por

εeff = εpoly(1− V FA · cA) + εA · V FA · cA (1.1)

heff = h(1 + SA · cA) (1.2)

Figura 1.15: Cambio en la respuesta en frecuencia de un conmutador capacitivo ante diferentesanalitos[2].

Donde εeff es la constante dielectrica efectiva del sistema polımero/analito,εpoly es la constante dielectrica del polımero, cA la concentracion del analito en lafase gaseosa, V FA es la fraccion del volumen del analito en el polımero por unidadde concentracion en fase gaseosa, heff es el espesor efectivo del polımero despuesde la absorcion del analito y SA es la inflamacion experimental del polımero porconcentracion en fase gaseosa del respectivo analito.

En cuanto a que analitos se pueden monitorizar a traves de sensores MEMS,existe una enorme variedad. Y estos dependeran de la lamina sensible que se utilice.Entre los analitos mas comunes esta el CO2, O2, partıculas en suspension, com-puestos organicos volatiles (VOC), humedad relativa, etc. Uno de los compuestosmas tıpicos para utilizar como elemento sensible a los compuestos quımicos son lospolımeros.

1.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseno para MEMS 19

1.5. Algunas Foundries y Reglas de Diseno paraMEMS

En esta seccion se van a explicar las diferentes tecnologıas existentes para lafabricacion de MEMS que provee Europractice[15]. Sin embargo existen multitudde procesos de fabricacion, que ante su elevado precio y difıcil acceso, no se van atratar en el presente trabajo.

Existen multitud de dispositivos MEMS que se comportan como sensores quımi-cos, sin embargo, estos se han fabricado a traves de procesos customizados, es decir,en los cuales la tecnologıa ha sido adaptada especıficamente para satisfacer necesi-dades concretas[23, 24, 25, 26].

En primer lugar se explicaran brevemente las reglas de diseno para los procesosespecıficos de cada foundry.

1.5.1. Tronics Microsystems

Tronics Microsystems es una foundry altamente diferenciado con un gran va-lor anadido dentro de la personalizacion de microsistemas y dispositivos MEMS,ademas es uno de los lıderes en la fabricacion de dispositivos MEMS en Silicon-On-Insulator(SOI). El servicio MEMSOI proporciona acceso a Tronics de 60µm deespesor SOI micromaquinado de alta relacion de aspecto (SOI-HARM). La tecno-logıa fue desarrollada para la fabricacion de sensores inerciales personalizados dealto rendimiento(acelerometros y giroscopios). En la figura 1.16 se presenta unaseccion de una oblea de esta tecnologıa.

Utilizacion de la tecnologıa MEMSOI

El servicio MEMSOI que Tronics proporciona a traves de Europractice tienecomo objetivo crear, caracterizar y evaluar estructuras y disenos MEMS antes depasar a produccion. Esta tecnologıa es adecuada para:

Sensores capacitivos (acelerometros, giroscopos, sensores de fuerza).

Actuadores electromagneticos (actuadores electricos u opticos, pinzas, ...).

Resonadores y sensores resonantes.

Estructuras micromecanicas de precision y estructuras microfluıdicas comocanales y filtros.


Figura 1.16: Seccion de la oblea en tecnologıa Tronics.

Para la realizacion del tipo de sensores en el que nosotros estamos interesados(sensores quımicos capacitivos de placas plano-paralelas) no podriamos utilizar estetipo de tecnologıa ya que esta especialmente indicada para estructuras con una altarelacion de aspecto, es decir, que sean estructuras muy gruesas comparado con sulargo y ancho.

1.5.2. MEMSCAP MUMPs

El proceso de fabricacion de MEMS Multi-usuario, o MUMPs® (Multi-UserMEMs Processes), es un programa establecido que lleva funcionando desde 1992. Al-rededor de 80 procesos se han completado con mas de 100 organizaciones diferentes.MEMSCAP ofrece tres unicos procesos multi-mascara para MEMS en MUMPs®:PolyMUMPs, SOIMUMPs, y MetalMUMPs.

Los procesos de MUMPs® son los mas ampliamente utilizados como veremosen secciones posteriores, ya que son procesos de bajo coste y con una velocidaden la entrega de los dispositivos fabricados muy rapida. Los procesos son procesosestandar por lo que estan bien documentados. Ademas, se permiten hacer pequenasmodificaciones en el material utilizado en las capas ası como en los espesores dedichas capas.


PolyMUMPs

PolyMUMPs es el servicio mas longevo de todos los multi-proyectos MEMS so-bre obleas, con mas de una decada de historia. Desde la fundacion de programaMUMPs®, PolyMUMPs ha liderado la idea de la aproximacion de un procesoestandar buscando un camino claro hacia una funcionalidad y un volumen de pro-duccion.

A principio de los anos 90, PolyMUMPs era una de las pocas alternativas dis-ponibles para los disenadores de MEMS; como consecuencia, el servicio fue de lospioneros en la creacion de dispositivos innovadores. Hoy dıa, PolyMUMPs tiene uncometido mucho mas amplio como programa o proceso que puede dar soporte a unagran variedad de iniciativas.

Figura 1.17: Seccion de la oblea en tecnologıa PolyMUMPs[3].

Muchas universidades utilizan hoy el servicio como una forma de comenzar en elaprendizaje del diseno de MEMS utilizando PolyMUMPs como proceso de ejemplo.Los chips de PolyMUMPs sirven tambien como una librerıa de bloques estandarpara sistemas mayores donde el chip MEMS es solo una pieza dentro del sistemaglobal. El hecho de que las propiedades y las caracterısticas de los materiales delas diferentes capas de PolyMUMPs esten bien documentados y sean predeciblessupone una gran ventaja para utilizar los MEMS como un componente mas.

PolyMUMPs es un proceso de micromecanizado de sustrato y micromecanizadosuperficial de 3 capas, con 2 capas de sacrificio y una capa de metal (ver figura1.17). Ocho niveles de mascara crean 7 capas fısicas.

Entre los dispositivos que se pueden fabricar con PolyMUMPs se incluyen:

Acusticos (microfonos).

Sensores.

Acelerometros.

Microfluıdicos.


Roboticos.

Tecnologıas de visualizacion.

En la figura 1.18 podemos ver un ejemplo de un micro-actuador electrostaticofabricado en PolyMUMPs.

Figura 1.18: Micro-actuador electrostatico MEMS fabricado en PolyMUMPs[4].

Este tipo de proceso de fabricacion sera el elegido para el diseno de nuestrosistema de microsensores MEMS. PolyMUMPs lleva ya cerca de 90 runs de historiay la fiabilidad que ha alcanzado el proceso durante los anos que lleva funcionandogarantiza la correcta fabricacion de nuestros sensores capacitivos. Los espesores pordefecto de cada una de las capas que constituyen PolyMUMPs se puede observar enla tabla 1.2. En el anexo A se explica de forma detallada el proceso de fabricacionde esta tecnologıa.

Capa Espesor

Nitruro 0.6 [µm]Poly0 0.5 [µm]

Oxido1 2.0 [µm]Poly1 2.0 [µm]

Oxido2 0.75 [µm]Poly2 1.5 [µm]Metal 0.5 [µm]

Tabla 1.2: Espesores de las diferentes capas del proceso PolyMUMPs.


SOIMUMPs

SOIMUMPs se introdujo en el mercado en el ano 2003. Al contrario que Poly-MUMPs, el proceso de SOIMUMPs surgio como un desarrollo para un producto deun atenuador optico variable de MEMSCAP, lo que ha hecho que se redefina hoydıa para poder usarlo en un entorno multi-usuario.

SOIMUMPs comienza sobre una oblea de silicio sobre aislante (SOI), que con-siste en una pila compuesta de la propia oblea (de 400µm), una capa de oxido en-terrada, y la oblea para el dispositivo. El espesor de la oblea del dispositivo puedeser de 10µm o 25µm de forma que el disenador puede elegir el espesor que masle convenga (incluso puede pedir dispositivos de ambos de espesores por un costeadicional). Usando la tecnica de la fotolitografıa en cada lado de la oblea de SOI,SOIMUMPs permite al disenador grabar un patron en ambas caras de la oblea deSOI, consiguiendo realizar agujeros que permita a la luz atravesar la oblea. Existendos capas de metal, una para el bonding de los pads y otra para la reflectividad, quese incluyen en el proceso estandar. El tamano mınimo en SOIMUMPs es de 2µm.En la figura 1.19 se puede ver una seccion de la oblea de SOIMUMPs.

Figura 1.19: Seccion de la oblea en tecnologıa SOIMUMPs[5].

Entre los dispositivos que se pueden fabricar con SOIMUMPs se incluyen:

Giroscopos.

Dispositivos opticos.

Dispositivos para visualizacion.

En la figura 1.20 se presenta un ejemplo un de MEMS disenado en tecnologıaSOIMUMPs.


Figura 1.20: Ejemplo de una micropinza electroestatica MEMS fabricada en SOIMUMPs[6].

SOIMUMPs no es tan versatil a la hora de plantear una estructura capacitivade tipo plano-paralela ya que no dispone de varios tipos de polisilicios con el quepoder poner a dos niveles los diferentes electrodos. Ademas, este no nos permitirıahacer cavidades tan pequenas que puedan contener el polımero.

MetalMUMPs

MetalMUMPs se introdujo en el mercado en el ano 2003. Al igual SOIMUMPs,el proceso para MetalMUMPs fue un descendiente de un producto de MEMSCAP(en este caso un micro-rele), que con el tiempo se ha ido redefiniendo. En la figura1.21 se puede ver una seccion de la oblea de MetalMUMPs.

Figura 1.21: Seccion de la oblea en tecnologıa MetalMUMPs[7].


MetalMUMPs incorpora los tres mayores procesos en la fabricacion de MEMS:LIGA, electroplating de metal ası como el bulk y surface micromachining. Se puedenconstruir estructuras altas de Niquel, entre 18µm y 22µm, encima del polisilicio yel nitruro. El polisilicio dopado se puede utilizar para hacer resistencias, ası comoestructuras mecanicas o ruteado electrico. La capa de Nitruro se utiliza como capade aislamiento electrico. El oxido depositado mediante PSG se utiliza para las capasde sacrificio. El tamano mınimo para el MetalMUMPs es de 5µm.

Las aplicaciones que se puede realizar con MetalMUMPs son por ejemplo:

Reles.

Microfluıdica.

Conmutadores magneticos.

Dispositivos de RF.

Un ejemplo de diseno realizado sobre MetalMUMPs es el de la figura 1.22

Figura 1.22: Ejemplo de un condensador variable fabricado en MetalMUMPs[8].

Este proceso tampoco serıa interesante para nuestro diseno puesto que esta orien-tado para hacer “electroplated nickel micromachining”, contando ademas con ununico polisilicio con lo que no podrıamos plantear estructuras de dos planos depolisilicio como estamos interesados.


1.6. Motivacion

En la actualidad, la monitorizacion de parametros quımicos tanto en situacionesindustriales, ası como en ambientes de trabajo o incluso hogares es de gran interespara la comunidad cientıfica. Para ello, se trata de disenar unidades capaces desensar dichos parametros reduciendo al maximo sus dimensiones.

Ante esta creciente necesidad aparecen los sistemas electromecanicos y los MEMS.Estos micro-dispositivos permitiran (en este caso concreto) disenar micro-sensorespara la monitorizacion de parametros quımicos.

En este proyecto se pretende disenar un sistema MEMS de microsensor quımicode placas plano paralelas basado en un proceso multi-usuario (MPW). Se pretendeademas disenar el circuito integrado de acondicionamiento de senal correspondientebasado en una tecnologıa de 0.35 um.

1.7. Objetivos

El objetivo principal de este proyecto es el diseno y simulacion de un sistemade microsensores basados en MEMS. Por lo tanto, este proyecto se centrara en dospartes complementarias entre sı:

El diseno del sensor quımico MEMS capacitivo en tecnologıa PolyMUMPs.

El diseno del circuito de acondicionamiento de la senal del sensor en tecnologıaAMS de 0,35µm.

En lo referente al sensor capacitivo, se disenaran diferentes estructuras geometri-cas de un condensador placas plano-paralelas utilizando tecnologıa MEMS. Una vezdisenadas dichas estructuras, se simulara mediante un software de elementos fini-tos(FEM) el comportamiento de dichos sensores con diferentes polımeros(dielectri-cos), que actuaran como elementos sensores del sistema, ante diferentes analitos. Esimportante aclarar, que la deposicion de dicho dielectrico se harıa en caso de unafabricacion real mediante una impresora de inyeccion de tinta, como postprocesadode los dados una vez recibidos de la foundry.

Una vez disenado y simulado el sensor MEMS, y seleccionado el polımero conel que obtener el mejor rendimiento y comportamiento del sensor, se procedera adisenar el circuito de acondicionamiento con el que monitorizar los cambios decapacidad del sensor quımico.

Finalmente, se presentara el layout del sensor MEMS de tipo capacitivo capazde medir elementos o compuestos quımicos.

Capıtulo 2

Estado del arte de lossensores MEMS quımicos

Contenidos2.1. Sensores Resistivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2. Sensores Capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.1. Interdigitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.2. Placas Plano Paralelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3. Otros tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

27

28 Capıtulo 2. Estado del arte de los sensores MEMS quımicos

Durante el presente capıtulo haremos una descripcion sobre diferentes sensoresquımicos, centrandonos con especial atencion en aquellos sensores quımicos basadosen polımeros.

Se han desarrollado numerosas tecnicas para la sensorizacion quımica durantelos anos, intentando trabajar a escalas reducidas y utilizando materiales polimericoscomo elementos sensibles a los compuestos quımicos o analitos en cuestion.

2.1. Sensores Resistivos

Lo sensores basados en polımeros utilizan finas capas de compuestos polimericoscomo materiales sensores para monitorizar cambios ambientales. En los sensoresresistivos basados en polımeros convencionales, cada compuesto polimerico utilizauna variedad de polımeros aislantes junto con un relleno conductivo. Para estosdetectores, el metodo clasico para evaluar el sensor es medir la resistividad de lapelıcula sensora. De hecho, la conductividad en los sistemas electricos surge delrelleno conductivo depositado en los polımeros aislantes, mientras que la sensibilidaddel sensor depende de las propiedades del polımero aislante, un ejemplo de esto es eltrabajo de Munoz et al.[9], que muestra como en presencia del analito en cuestion,el polımero aislante aumenta su tamano, produciendo un aumento en la resistencia.

Una vez expuesto a un vapor, las propiedades fısicas del polımero aislante cam-bian debido a la absorcion de las moleculas del analito. La interacion del polımerocon cualquier analito depende del grado de absorcion del polımero. Por lo tanto, dife-rentes polımeros mostraran diferentes respuestas ante el mismo analito[27]. Cuandose utilizara en un array de sensores, como en el trabajo de Lonergan et al., lasvariaciones en las propiedades de un polımero individual pueden ser tilizadas paradetectar parametros que permitan identificar una amplio rango de partıculas volati-les [28].

Otro interesante trabajo que refleja este comportamiento, es el llevado a cabopor Kroger et al.[29], en el que se realiza un sensor impreso utilizando polımerospara luego hacer la lectura de estos sensores aplicando tecnicas de voltametrıa.

El mecanismo de transduccion de estos compuestos polimericos puede describirsecon la teorıa de la percolacion [30, 31]. Basado en la teorıa de la percolacion, laresistividad, ρ, de un pelıcula de un compuesto polimerico aislante con un rellenode carbon negro se puede aproximar por la ecuacion 2.1 [31].

ρ =(z − 2)ρcρm

A+B + [(A+B)2 + 2(z − 2)ρcρm]1/2(2.1)

donde:

A = ρc[−1 + (z/2)[1− (νc/f)]] (2.2)

B = ρm[(zνc/2f)− 1] (2.3)

2.1. Sensores Resistivos 29

En estas ecuaciones, ρc es la resistividad del relleno conductivo (carbon negro),ρm es la resistividad del polımero aislante, νc es el volumen de la fraccion de carbonnegro en el compuesto, z es el numero de particulas en el carbon negro, y f es lafraccion total (νc < f).

A partir de las ecuaciones 2.1 y 2.3, se obtiene el umbral de percolacion:

νp =2f

z(2.4)

que sugiere que los sensores de alta ganancia se pueden fabricar de tal forma quetrabajen cerca del umbral de percolacion, νp. Basado en la teorıa de la percolacion,para aquellas peliculas donde la fraccion del volumen del carbon negro en el com-puesto inflamado permanece mayor que el umbral de percolacion, una diferenciade resistividad a un nivel dado de aumento de inflamacion con una disminuciondel carbon negro. Por lo tanto, la magnitud de la respuesta diferencial puede sermanipulada a traves de la fraccion del volumen del carbon negro[32]. Sin embargo,esto puede introducir dificultades en la fiabilidad y repetitividad del sensor. Enla figura 2.1 se observar un esquematico que muestra la inflamacion del polımeroaislante que provoca un cambio en la resistencia en sensores basados en polımerosconvencionales.

Figura 2.1: Esquema del cambio de resistividad[9].

Exponiendo este tipo de sensores a un analito cualquiera, algunas moleculas dedicho analito penetran dentro de los polımeros aislantes y provocan una expansionde la pelıcula. Esta expansion reduce el numero de caminos conductivos para los por-tadores de carga, dando lugar a un aumento en la resistencia electrica del compuestopolimerico. La respuesta es normalmente medida como una resistencia diferencialrelativa (Rmax−R0)/R0, donde R0 es la resistencia base en un ambiente seco, o de


cualquier otro gas inerte, y Rmax es la resistencia en la atmosfera del analito enestado de equilibrio.

Otro trabajo realizado por Bai y Shi muestra otro sensor de gas basado enpolımeros conductivos [10] (ver figura 2.2). Este tipo de disenos son bastante fre-cuentes, en los que se modifica el polımero para adaptarlo al analito de interes encada caso [33].

Figura 2.2: Esquematico sensor de gas con polımeros conductivos[10].

Este tipo de sensores son muy utilizados en la actualidad debido a que la geo-metrıa ası como la fabricacion del sensor es relativamente sencilla, la dificultad sueleresidir en la deposicion del polımero [34, 35, 36].

2.2. Sensores Capacitivos

Los sensores quımicos capacitivos podemos diferenciarlos en dos grupos:

1. Interdigitales.

2. Placas Plano Paralelas.

2.2.1. Interdigitales

Igreja y Dias[37] llevaron a cabo un estudio analıtico del comportamiento de lascapacidades interdigitales, que se puede resumir en la ecuacion 2.5.

C = (N − 3)CI2

+ 2CICECI + CE

conN > 3 (2.5)

donde N es el numero de electrodos, CI es la mitad de la capacidad de un electrodointerior relativo al potencial de tierra y CE es la capacidad de electrodo exteriorrelativo al plano de tierra. En la figura 2.3, se puede observar la capacidad de uncondensador con 6 fingers.

2.2. Sensores Capacitivos 31

Figura 2.3: Condensador interdigital formado por 6 fingers.

La utilizacion de una estructura interdigital permite detectar un cambio en lapermitividad o una inflamacion basandose en un aumento del espesor del polımero[38, 39, 40, 41].

(a) Antes de la deposicion del polımero[38].

(b) Comportamiento del polımero[39].

Figura 2.4: Estructuras interdigitales.

En las figuras 2.4(a) y 2.4(b) se muestran unos esquemas de estructuras inter-digitalizadas, y como el aumento del polımero debido a la deteccion del analitomodifica las lıneas de campo.

Posteriormente, Lazarus et al.[11] desarrollan varias estructuras (plano paralelase interdigitales) para el desarrollo de un sensor de humedad, todo esto dentro de unproceso CMOS(fig. 2.5).

Uno de los ultimos trabajos desarrollados en la actualidad son los pertenecientesa Oikonomou et al.[42, 43, 44], en los que se presenta un array de sensores MEMScapacitivos tambien basados en polımeros como elementos sensibles a la concen-tracion de compuestos organicos volatiles, todo ello realizado con una estructurainterdigitalizada.


Figura 2.5: Disenos de sensores de humedad en proceso CMOS[11].

2.2.2. Placas Plano Paralelas

El comportamiento de este tipo de sensores se rige basicamente por la ecuacion2.6. Los primeros sensores quımicos capacitivos fueron sensores de humedad en loscuales los dos electrodos estaban separados por una pelicula de poliimida[45, 46].En este caso, el agua aumenta la permitividad de la poliimida, produciendo unaumento de la capacidad del sensor.

C = ε0εr ·A

d(2.6)

Para permitir que los analitos tengan acceso al polımero, el electrodo superiordebe de tener poros. Una de las formas de hacer esto, es utilizar una pelicula ultrafinade metal como por ejemplo oro [47], un electrodo de esta naturaleza es transparentea la humedad por ejemplo. Otra forma de hacer estos poros es grabar unos simplesagujeros en la capa superior [46].

Existen muchos casos en los que los sensores quımicos se fabrican utilizandoprocesos y circuiterıa CMOS para mejorar ası el 1 % de la humedad relativa [48, 49].

Un tipo diferente de condensadores de plano paralelas se han desarrollado paradetectar cambios en la permitividad del dielectrico llevados a cabo por Patel etal.[12, 50, 51]. En este caso el polımero sensible quımicamente se utiliza comodielectrico que separa ambos electrodos, como se ve el diseno presentado en la figura2.6. En este caso, la deposicion del los diferentes polımeros se realizaba utilizandouna impresora de inyeccion de tinta. Este va a ser uno de los principales trabajosen los que se basara el presente trabajo. Ademas, el trabajo de Patel et al. tambienpresentaba un circuito que hacıa la lectura del sensor mediante un amplificador decarga.

2.3. Otros tipos 33

Figura 2.6: Propuesta de diseno de sensor quımico capacitivo[12].

Existen otros trabajos que realizan sistemas integrados de sensores, como elde Hautefeuille et al. [17], que incluyen sensores de gases, temperatura y humedad,siendo solo este ultimo el basado en polımeros, utilizando la poliimida como elementosensible a la humedad. En este caso, en vez de utilizar una estructura porosa en elelectrodo superior, se diseno una estructura interdigital para el electrodo superior,para ası permitir y facilitar al polımero la absorcion de la humedad. En este caso, elsensor de gas, se baso en un diseno de un sensor termoconductivo y el de temperaturaen uno resitivo.

2.3. Otros tipos

Dentro de aquellos otros grupos de sensores quımicos basados en la deposicionde polımeros, se puede destacar el trabajo de Maute et al.[13]. Este sensor se basaun diseno de tipo micropalanca, la cual contiene en su extremo un polımero sensiblea un determinado analito, el cual, al absorber dicho analito, se expande y modificala frecuencia de resonancia de la micropalanca (ver figura 2.7). La utilizacion desistemas basados en micropalanca es muy frecuente para la deteccion quımica [24].


Figura 2.7: Esquematico del sistema sensor realizado por Maute et al.[13].

El objetivo de este sensor era la monitorizacion de compuestos organicos volati-les. De la misma forma Baimpos et al. [52] tambien desarrollaron un sensor basadoen la modificacion de la frecuencia de resonancia al detectar los compuestos[10].

Capıtulo 3

Propuesta de diseno deMicrosensores MEMS

Contenidos3.1. Diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1.1. Estructura cuadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.1.2. Estructura Circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.3. Estructura Hexagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2. Simulacion en COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.1. Sensor Cuadrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.2. Sensor Circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3.3. Sensor Hexagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.4.1. Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

35

36 Capıtulo 3. Propuesta de diseno de Microsensores MEMS

Durante este capıtulo se mostrara el diseno del sensor MEMS quımico de tipocapacitivo. Ademas, se expondran los diferentes polımeros estudiados y los analitoscorrespondientes que son capaces de sensar.

3.1. Diseno

Como se ha comentado en el capıtulo anterior, para llevar a cabo nuestro diseno,se ha partido principalmente de los trabajos del grupo de trabajo Patel et al.[12,50, 51].

En el caso del presente proyecto, se han disenado tres estructuras diferentes desensores capacitivos de placas plano paralelas:

Cuadrada

Hexagonal

Circular

En primer lugar, abordaremos cada uno de los diferentes disenos y estructu-ras geometricas por separado, y a continuacion presentaremos los estudios de cadapolımero estudiado con su respectivo analito. El objetivo es realizar una compa-racion entre las diferentes estructuras planteadas ası como las diferentes relacionesentre polımero y analito y elegir el mejor sensor sobre el que se planteara el disenode la circuiterıa de acondicionamiento del capıtulo 4.

Todos los estudios asociados a los sensores MEMS se han realizado utilizando laherramienta de simulacion por elementos finitos (FEM) COMSOL, mientras queel layout final del mejor sensor ası como la simulacion de su fabricacion y revisionde la estructura fabricada en 3D se realizara utilizando CoventorWare.

(a) COMSOL (b) CoventorWare Designer y Analizer

Figura 3.1: Software empleado durante el diseno.

Cabe destacar que para los sensores se han llevado a cabo dos tipos de simulacio-nes, una estacionaria para detectar la capacidad con el aire como dielectrico y otraparametrizada en la que el parametro fue la concentracion del analito en cuestion.Todo ello tambien en COMSOL.

3.1. Diseno 37

3.1.1. Estructura cuadrada

Todos los sensores capacitivos desarrollados en este trabajo siguen una estruc-tura de un condensador de placas plano paralelas, en la que las dos placas estan cons-tituidas de polisilicio, y donde el polımero en cuestion juega el papel del dielectrico,que sera el elemento sensor ante los diferentes analitos.

Los parametros geometricos que definen esta estructura se pueden observar en latabla 3.1. A estas dimensiones se ha llegado a partir de realizar varias simulacionescon diferentes valores permitidos dentro de las reglas de diseno de PolyMUMPs.

Dimension Valor

Area efectiva 16900 [µm2]Lado 130.0 [µm]Espesor Nitruro 0.6 [µm]Espesor Poly0 0.5 [µm]Espesor Poly1 2.0 [µm]

Espesor Oxido1 2.0 [µm]Distancia entre capas 1.5 [µm]Apertura dielectrico (lado) 15 [µm]

Tabla 3.1: Parametros geometricos del sensor cuadrado.

La mayorıa de estos tamanos y espesores estan definidos por el proceso de fabri-cacion de PolyMUMPs (ver tabla 1.2), aunque como se ha explicado, dicho procesopermite la modificacion de algunos espesores ası como anadir o intercambiar el ma-terial en algunas de sus capas a cierto coste a traves de su proceso de customizacion(MUMPs Plus®); en el anexo A hay mas informacion acerca del mismo.

De esta forma, la estructura geometrica obtenida serıa la de un sensor como elmostrado en la figura 3.2. Hay que tener en cuenta que en estos disenos solo sepresenta los disenos del sensor final, es decir, no se presentan las diferentes capas desacrificio necesarias para obtener la estructura final deseada; que sı estaran presentesen el layout final.

A pesar de que COMSOL representa todas las capas del mismo color, estascorresponden a las capas presentadas en la tabla 3.1. Por lo que unicamente tenemospolisilicio de tipo 0 y 1, el nitruro sobre el que se apoya el sensor y que lo aısla delsilicio de la oblea, y los correspondientes polımeros que actuaran como dielectricosy por lo tanto como elementos sensores.

Como luego se podra observar en la subseccion 3.4.1, en el diseno y las simula-ciones de COMSOL no se han anadido unos orificios en la capa de Poly1, ya queesto dificultaba mucho el mallado del sensor y aumentaba el numero de grados delibertad. Estos orificios tienen dos propositos:

1. Asegurar una mejor deposicion del polımero que actua como dielectrico.

2. Permitir a las moleculas del analito penetrar en el polımero.


(a) Perspectiva General.

(b) Planta. (c) Perfil.

(d) Alzado.

Figura 3.2: Vistas del sensor cuadrado.

3.1. Diseno 39

Como se ha explicado, COMSOL es un software de elementos finitos, por lotanto, es un requisito necesario hacer un mallado antes de realizar cualquier tipode analisis. En nuestro caso se ha llevado a cabo un mallado automatico, ya que altratarse de una estructura simple, espesores no muy pequenos, y sobre todo, debidoa que no hay deformaciones ni movimientos en el sensor, este tipo de mallado cumpleperfectamente para realizar las simulaciones, tanto estacionarias como parametricas.Por defecto, el tipo de elemento de mallado es el ”Quadrilateral”, basado en lageneracion de hexaedros, sin embargo, nosotros hemos utilizado como elemento demallado, tetraedros, ya que se ajustaba mejor para el sensor circular y hexagonaly funcionaba igualmente bien para la geometrıa cuadrada. El elemento mınimo erade 0.06µm y el maximo de 6µm.

Una vez definida la estructura geometrica del sensor, se realizo tambien utili-zando COMSOL, una simulacion estacionaria con el aire (εaire ∼ 1) como materialdielectrico, con el fin de evaluar la capacidad del sensor sin ningun polımero. Ob-teniendo una capacidad de 0.08976pF. Aplicando la ecuacion 2.6 obtenemos unacapacidad de 0.09475pF, por lo que observamos que los resultados obtenidos de lassimulaciones son correctos.

3.1.2. Estructura Circular

A continuacion, se procedio al diseno de una estructura geometrica diferente.Este tipo de geometrıa fue tambien utilizada en uno de los trabajos presentadosdurante el capitulo 2 [12]. En la tabla 3.2 se presentan las dimensiones del sensorcircular disenado, donde se han omitido los espesores al ser los mismos del sensorcuadrado. La estructuras de capas es tambien la correspondiente al proceso Poly-MUMPs. Se puede encontrar mas informacion acerca de este proceso en el anexoA.

Dimension Valor

Area efectiva 16830 [mm2]Diametro 147 [µm]

Apertura dielectrico (diametro) 15 [µm]

Tabla 3.2: Parametros geometricos del sensor circular.

En la figura 3.3 se presentan las diferentes vistas del sensor circular. En este caso,como se puede observar, se ha realizado el orificio para la deposicion del polımerotambien circular, de forma que este agujero fuese completamente concentrico a lapropia estructura circular del sensor.

En las simulaciones estacionarias llevadas a cabo con esta estructura, hemosobtenido una capacidad del sensor con el aire como dielectrico de 0.0878pF. Segunlos calculos de diseno esta capacidad debıa de ser de 0.0929pF, como se puedeobservar, el error es solo de aproximadamente 5fF.




(d) Alzado.

Figura 3.3: Vistas del sensor circular.

3.1. Diseno 41

3.1.3. Estructura Hexagonal



(d) Alzado.

Figura 3.4: Vistas del sensor hexagonal.


Esta estructura se ha disenado como complemento y comparativa a las propues-tas anteriores. Sus diferentes vistas se pueden ver en la figura 3.4.

El area de esta estructura es menor en comparacion a los otros sensores. Losparametros geometricos se pueden observar en la tabla 3.3.

Dimension Valor

Area efectiva 16880 [µm2]Lado 83.85 [µm]

Apertura dielectrico (diametro) 15 [µm]

Tabla 3.3: Parametros geometricos del sensor hexagonal.

En este ultimo caso en las simulaciones estacionarias se han obtenido una capa-cidad de 0.08484pF, por lo que se observar que el valor de la capacidad esta dentrodel rango de las otras dos geometrıas como cabıa esperar.

3.2. Simulacion en COMSOL

Como ya se ha comentado previamente, COMSOL es un software de simulacionpor elementos finitos (FEM). Este tipo de herramientas son muy utilizadas debido asu generalidad y a la facilidad de introducir dominios de calculo complejos. Ademas,el metodo es facilmente adaptable a problemas de difıcil resolucion analıtica talescomo difusion de calor, mecanica de fluidos, calculo de campos de velocidades ypresiones (Dinamica de fluidos Computacional, CFD) o de campo electromagnetico.Esta herramienta facilita todos los pasos del proceso de modelado desde la definicionde la geometrıa, el mallado, hasta la visualizacion de los resultados.

El modelo de organizacion es rapido, gracias a una serie de interfaces fısicaspredefinidas para aplicaciones que van desde el flujo de fluidos y la transferencia decalor a la mecanica estructural y el analisis electromagnetico. Tanto las propiedadesde los materiales como las condiciones de origen o las condiciones de contorno puedenser funciones arbitrarias de las variables dependientes.

Las plantillas predefinidas de aplicacion multifısica permiten resolver muchostipos de problemas comunes. Ademas existe la opcion de elegir diferentes fısicas yla definicion de las interdependencias entre ellas o pueden especificarse sus propiasecuaciones en derivadas parciales (EDP) y vincularlas con otras ecuaciones y lafısica.

Todo lo relativo a la simulacion en COMSOL esta separado como modulos(fig. 3.5), clasificado por el software clasifica como fısicas (acustica, transferenciade calor, fluidos, radio frecuencia, etc.), concretamente para nuestro diseno se hanutilizado dos de sus modulos:

AD/DC El modulo de AC/DC permite modelar el comportamiento de los con-densadores, bobinas, motores y microsensores. Aunque estos dispositivos se

3.2. Simulacion en COMSOL 43

Figura 3.5: Modulos fısicos de COMSOL.

caracterizan principalmente por electromagnetismo, tambien se ven influen-ciados por otros tipos de fenomenos fısicos. Los efectos termicos, por ejemplo,pueden modificar las propiedades electricas de un material, mientras que lasdesviaciones electromecanicos y las vibraciones deben ser plenamente com-prendidas en cualquier proceso de diseno de generadores.

MEMS A escalas de longitud pequenas, el diseno de resonadores, giroscopios, ace-lerometros y actuadores se deben considerar los efectos de varios fenomenosfısicos. El modulo MEMS proporciona interfaces de usuario para analisis elec-tromagnetico, termico o la interaccion fluidoestructura. Se pueden incluir unavariedad de fenomenos de amortiguacion, perdidas en los materiales solidospor factores anisotropicos ası como fenomenos piezoelectricos. Este modulo sepuede utilizar para hacer frente a practicamente cualquier fenomeno relacio-nado con la mecanica a microescala.

El modulo de AC / DC contiene un conjunto de interfaces adaptadas a unaamplia categorıa de simulaciones electromagneticas y que resuelve problemas en lasareas generales de los campos electrostaticos, campos magnetostaticos y camposcuasi-estaticos.

Electrostatics. Esta interfaz simula los campos electricos en materiales dielectri-cos en presencia de una carga fija.

Electric Currents. Esta interfaz simula la corriente en un material conductory capacitivo cuando se encuentran bajo la influencia de un campo electrico.

Electrical Circuit. Esta interfaz tiene las ecuaciones para el modelado de cir-cuitos electricos con o sin conexiones a un modelo de campos distribuidos,resolviendo las tensiones, corrientes, y las cargas asociadas a los elementos delcircuito.


Electrostatics Interface

La interfaz de electrostatica se emplea para aplicaciones de alta tension, dis-positivos electronicos y condensadores. El termino “estatica” a que el tiempo deobservacion o escala de tiempo en el que se aplican cambios a la excitacion es me-nor en comparacion con el tiempo de relajacion de carga y que la longitud de ondaelectromagnetica y la profundidad de penetracion son muy grandes en comparacioncon el dominio de interes.

Bajo condiciones estaticas, el potencial electrico V se define por la relacion:

E = −∇V (3.1)

Combinando esta ecuacion con la relacion constitutiva D = ε0E + P , la ley deGauss se puede representar en la ecuacion 3.2.

−∇ · (ε0∇V − P ) = ρ (3.2)

Donde ε0 es la permitividad en el vacio(F/m), P es el vector de polarizacionelectrico(C/m2),ρ es la densidad de carga espacial(C/m3). Esta ecuacion describe elcampo electrostatico en materiales dielectricos. La interfaz electrostatica resuelvela ecuacion 3.3, donde d es el espesor en la direccion del eje z.

−∇ · d(ε0∇V − P ) = ρ (3.3)

Electric Currents interface

Esta interfaz resuelve un problema de conservacion de corrientes para el po-tencial escalar electrico. Al manejar corrientes electricas estacionarias en mediosconductores se debe tener en cuenta la ecuacion estacionaria de la continuidad. Enun sistema de coordenadas fijas, la ley de Ohm en un punto se define en la ecuacion3.4.

J = σE + Je (3.4)

donde σ es la conductividad electrica(S/m) y Je es una densidad de corrientegenerada externamente (A/m2). La forma estatica de la ecuacion de continuidad sedescribe en la ecuacion 3.5, generalizada en la 3.6.

∇J = −∇(σ∇V + Je) = 0 (3.5)

−∇(σ∇V + Je) = Qj (3.6)

3.3. Resultados 45

3.3. Resultados

A continuacion, se muestra una relacion de las propiedades y comportamiento delos polımeros utilizados en funcion de los analitos, obtenida a partir de los trabajosestudiados[12, 51, 17, 42], ası podemos presentar la tabla 3.4, en la que se recogenla relacion entre polımeros y analitos.

Polımero Analito

PHEMA Vapor de AguaPEMA Vapor de Agua

Poliimida Humedad RelativaHC C12H11NO2 (Carbaryl)

AuHFADNT

NH3 (Amoniaco)Adiol DIMPSXFA C3H6O (Acetona)

Tabla 3.4: Polımeros y analitos estudiados.

A continuacion se presentaran las simulaciones utilizando los diferentes polıme-ros dentro de la estructuras definidas en la seccion anterior.

3.3.1. Sensor Cuadrado

En primer lugar, se llevo a cabo la simulacion con la deposicion de PHEMA YPEMA como polımeros. En la figura 3.6 se puede observar la respuesta del sensorcapacitivo donde el analito en cuestion es vapor de agua, medido este en partes pormillon (ppm).

Como se puede observar, cuando el polımero(dielectrico) es el PHEMA, la res-puesta del sensor no es completamente lineal(coeficiente de correlacion R aproxi-madamente igual a 0.8941), sin embargo, es aceptable y puede permitir su perfectamonitorizacion a traves del circuito de acondicionamiento. En el caso del PEMAcomo dielectrico, podemos observar que existe mayor linealidad(R aprox. 1) que enel caso del PHEMA, lo que asegura una mayor precision a la hora de determinarla concentracion del analito. Mediante el uso de PEMA se consigue tambien unrango menor que en el caso del PHEMA, siendo un rango de aproxidamente 45fFpara el PEMA y de unos 170fF para el PHEMA. Ademas, los valores de capacidadobtenidos con PEMA son muy bajos (menos de 0.1pF en todo el rango).


(a) PHEMA.

(b) PEMA.

Figura 3.6: Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Cuadrado).

En la figura 3.7 se muestra la respuesta del sensor cuadrado utilizando la po-liimida como dielectrico y con la humedad relativa como analito, medido este enporcentaje. Como podemos observar, este modelo, nos permite una alta sensibilidad(R ∼ 1) en todo el rango de medida, con un valor de capacidad lo suficientementegrande para nuestro posterior circuito de acondicionamiento. Sin embargo, el rango

3.3. Resultados 47

de medida obtenido solo alcanzo aproxidamente los 8 fF por lo cual los requerimien-tos para un posible circuito de acondicionamiento serıan demasiado exigentes.

Figura 3.7: Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Cuadrado).

Figura 3.8: Capacidad vs Carbaryl (Sensor Cuadrado).


El siguiente estudio se observa en la figura 3.8, en este caso el polımero es HCy el analito es el carbaryl, medido de nuevo en partes por millon. Sin embargo, eneste caso el comportamiento es peor que para el PHEMA, ya que ahora el rango demedida es menor (aproximadamente 105fF) y segun se aprecia, el comportamientoes no lineal (R ∼ 0.75), lo que dificultara la monitorizacion del analito con el circuitode acondicionamiento.

A continuacion se simulo utilizando Adiol como dielectrico (fig 3.9), mientrasque el analito en cuestion fue DIMP. Como se puede observar, los resultados coneste dielectrico vuelven a ser parecidos a los casos PHEMA-Vapor de agua y HC-Carbaryl en cuanto a linealidad, aunque en este caso es peor (aproximadamente0.6). Un rango si cabe inferior al de resto de casos(∼ 0.26fF), saturandose el valorde la capacidad a medida que aumentamos la concentracion del analito.

Figura 3.9: Capacidad vs DIMP (Sensor Cuadrado).

De nuevo se simulo un cambio en el polımero que actuaba como dielectrico parael sensado de dos analitos, utilizandose AuHFA(ver fig. 3.10). Se llevaron a cabodos simulaciones para dos diferentes analitos, DNT y NH3 (Amoniaco). Ambosresultados fueron similares, en ambos se puede observar como a medida que laconcentracion del analito aumenta (baja linealidad), la capacidad del sensor tiendea saturarse, con un rango de aproxidamente 82fF y 0.2pF respectivamente.

3.3. Resultados 49

(a) Capacidad vs DNT.

(b) Capacidad vs Amoniaco

Figura 3.10: AuHFA como dielectrico (Sensor Cuadrado).

Finalmente, se simulo la deposicion de SXFA para monitorizar la acetona. Larespuesta de esta simulacion se puede observar en la figura 3.11. En este caso seobtuvo la mayor linealidad junto con los casos de PEMA-Vapor de agua y Poliimida-Humedad Relativa, sin embargo el rango de medida es pequeno, de alrededor de 7fF.


Figura 3.11: Capacidad vs Acetona (Sensor Cuadrado).

3.3.2. Sensor Circular

En primer lugar, se comenzaron las simulaciones con la deposicion de PHEMAy PEMA para la monitorizacion del vapor de agua (figuras 3.12(a) y 3.12(b)).

En este caso los resultados son practicamente iguales que para la geometrıacuadrada, atendiendo siempre al hecho de que el area del sensor es casi la misma,por lo que los valores de capacidad deben de ser practicamente los mismos. De estaforma, se obtuvo un rango de aproxidamente 170fF para el PHEMA y de 46fF parael PEMA, que sin embargo es mucho mas lineal (0.8937 para el PHEMA frente a0.9982 para el PEMA).

Despues se simulo la inyeccion de la poliimida para sensar la humedad relativa(fig. 3.13). En este caso tambien se puede describir el comportamiento del sensorde forma lineal, sin embargo, el rango simulado del sensor es de solo de aproxima-damente 7.5fF.

3.3. Resultados 51

(a) PHEMA.

(b) PEMA.

Figura 3.12: Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Circular).

Para la siguiente simulacion, se utilizo HC como polımero y C12H11NO2 (car-baryl) como analito. El resultado del comportamiento del sensor quımico capacitivose puede observar en la figura 3.14. En este caso podemos observar que tenemos denuevo un sensor saturado a altas concentraciones, sin embargo, esta no es tan pro-nunciada como para otros polımeros. El rango de la capacidad sensora varıa entreaproximadamente 0.22pF y 0.32pF, lo que supone un rango de 0.1pF.


Figura 3.13: Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Circular).

Figura 3.14: Capacidad vs Carbaryl (Sensor Circular).

Como se puede observar en la figura 3.15, se llevo a cabo una simulacion uti-lizando Adiol como polımero, monitorizando los niveles de DIMP. En este caso larespuesta se satura para un nivel mas bajo de concentracion del analito que en el

3.3. Resultados 53

caso de HC-carbaryl, lo que dificulta su lectura y tratamiento por un circuito deacondicionamiento. Para este caso, se consiguio ademas un rango de medida menorque en la simulacion anterior, de aproximadamente de 25fF. Al igual que en los an-teriores polımeros estudiados, se puede observar que la respuesta es practicamentela misma que para la estructura geometrica cuadrada.

Figura 3.15: Capacidad vs DIMP (Sensor Circular).

Despues se simulo el sensor circular utilizando AuHFA como dielectrico y DNT(fig.3.16(a)) y amoniaco(fig.3.16(b)) como analitos. Como se puede observar, las respues-tas de ambos son similares, a pesar de que la respuesta ante el DNT es mas linealque ante el amonicaco, con unos coeficientes de 0.66 frente a 0.5. Otra diferenciaentre ambos se encuentra en la capacidad mınima que obtienen para la mınimaconcentracion del analito, siendo de aproximadamente de 0.25pF para el DNT y de0.14pF para el amoniaco.




Figura 3.16: AuHFA como dielectrico (Sensor Circular).

Finalmente se simulo la deposicion del ultimo polımero, el SXFA, ante unaconcentracion de acetona. De esta forma, se obtuvo una respuesta como la de lafigura 3.17. Como se puede observar, la respuesta es lineal(∼ 0,9982) mientras que elrango de la capacidad obtenida es pequeno, variando de aproximadamente 0.286pFa 0.293pF, lo que supone un rango de medida de 7fF aproximadamente.

3.3. Resultados 55

Figura 3.17: Capacidad vs Acetona (Sensor Circular).

3.3.3. Sensor Hexagonal

De la misma forma que con los sensores cuadrado y circular, iniciamos las simu-laciones con esta estructura geometrica con deposicion de los polımeros PHEMA yPEMA ante el vapor de agua como analito.

En este caso vemos un comportamiento similar en ambos polımeros al de lasotras geometrıas, obteniendo un rango mayor para el PHEMA (∼ 0.175pF) que parael PEMA (∼ 46fF), aun siendo este ultimo mas lineal. Estos dos polımeros tieneuna buena caracterıstica lineal, con coeficientes de 0.89 y 0.99 respectivamente, loque facilita la lectura por el circuito de acondicionamiento. Por otro lado, estossensores proveen rangos de medida de capacidad de aproximadamente 175fF y 45fFpara cada polımero. Como mayor inconveniente especialmente del PEMA es la bajacapacidad que se obtiene, con capacidades que varıan entre 0.01pF hasta 0.055pFaproximadamente.


(a) PHEMA.

(b) PEMA.

Figura 3.18: Capacidad vs Vapor de Agua (Sensor Hexagonal).

A continuacion, se llevo a cabo la simulacion con el polımero mas utilizado ensensores capacitivos, la poliimida, monitorizando los niveles de humedad relativa(ver figura 3.19). La respuesta obtenida indica alta linealidad, sin embargo el rangode medida resultante solo oscilo alrededor de 6fF.

3.3. Resultados 57

Figura 3.19: Capacidad vs Humedad Relativa (Sensor Hexagonal).

Como se puede observar en la figura 3.20, se realizo una simulacion con HC comopolımero y Carbaryl como analito, en este caso nos encontramos ante otro sensorque se satura conforme aumenta la concentracion y con un rango de 106fF.

Figura 3.20: Capacidad vs Carbaryl (Sensor Hexagonal).


En la figura 3.21 se simulo el comportamiento del sensor depositando comopolımero Adiol siendo el analito en cuestion DIMP. El resultado de este sensor noes satisfactorio debido a la saturacion para altas concentraciones y su bajo rango(26fF aproximadamente).

Figura 3.21: Capacidad vs DIMP (Sensor Hexagonal).

A continuacion se simulo el comportamiento del sensor con SXFA como dielectricoy sensando la acetona. Los resultados se observan en la figura 3.22.

Figura 3.22: Capacidad vs Acetona (Sensor Hexagonal).

3.3. Resultados 59



Figura 3.23: AuHFA como dielectrico (Sensor Hexagonal).

Finalmente se realizo la simulacion de la deposicion de AuHFA como dielectricoy DNT(fig. 3.23(a)) y amoniaco(fig.3.23(b)) como analitos. En este caso, se puedeobservar que la respuesta ante DNT es moderadamente mejor que ante amoniaco, yaque este se satura para una concentracion baja, sin embargo, se consigue un rangomayor que para el DNT, de casi 2 veces superior, mientras que las linealidades deambos son bajas (de 0.66 para el DNT y 0.5 para el amoniaco).


3.4. Conclusiones

A modo de conclusion, presentamos en la tabla 3.5 un resumen con los diferentescoeficientes de linealidad ası como rangos para las diferentes geometrıas, polımerosy analitos:

Polımero AnalitoCuadrada Circular Hexagonal

Rango (fF) Linealidad Rango (fF) Linealidad Rango (fF) Linealidad

PHEMA Vapor de Agua 171.41 0.8941 169.3 0.8937 174.14 0.8941PEMA Vapor de Agua 46.75 0.9982 45.65 0.9982 46.76 0.9982

Poliimida Humedad Relativa 8.07 0.9999 7.84 0.9998 6.34 0.9998HC C12H11NO2 105.88 0.7473 102.72 0.747 105.9 0.7472

AuHFADNT 81.32 0.6639 78.84 0.6635 81.32 0.6638NH3 198.8 0.5026 193.05 0.5021 198.84 0.5026

Adiol DIMP 25.69 0.5947 24.9 0.5945 25.68 0.5944SXFA C3H6O 7.33 0.9982 7.11 0.9982 7.34 0.9983

Tabla 3.5: Tabla resumen de las simulaciones.

Como se puede observar a partir de la tabla anterior, tanto los rangos comolos coeficientes de linealidad para cada una de las relaciones polımero-analito sonpracticamente las mismas para cada una de las estructuras geometricas, estos re-sultados, son los esperados debido a que las areas son practicamente las mismas.Por lo tanto, en la siguiente seccion presentaremos el layout unicamente del sensorcuadrado, ya que es el mas sencillo de fabricar.

En cualquier caso, y como se indicara en el capitulo 5, seria interesante poderfabricar todas las geometrıas para poder hacer pruebas con todos los polımerosy analitos posibles. Dado que el tamano del dado en PolyMUMPs es de 1 cm2,se podrıan acomodar hasta 4400 de los dispositivos descritos en cada diseno. Noobstante, encontrar capsulas de 1 cm2 de ventana es costoso y difıcil, por lo queserıa mas facil hacer un ”subdicing”de los dados. Cortandolos dos veces se ob-tendrıan chips de 0.25 cm2 que admiten capsulas asequibles y se podrıan acomodarun maximo de 1100 dispositivos en cada uno.

3.4.1. Layout

Como ya se ha comentado, para llevar a cabo el layout de los sensores MEMS,se ha utilizado CoventorWare sobre tecnologıa PolyMUMPs, la cual se explico enel capitulo 1. En la figura 3.24 se puede observar en layout del sensor cuadrado.Destacar que las lıneas de color turquesa hacen referencia a la capa Anchor1, quese utiliza para eliminar la capa de oxido y depositar la capa de Poly1 directamentesobre el nitruro consiguiendo ası que se forme la cavidad donde se depositara acontinuacion el polımero que se comportara como dielectrico.

3.4. Conclusiones 61

Como se puede observar, se han hecho unos agujeros en la capa superior, paraasegurar que una vez depositado y distribuido completamente el polımero, esteno se desborda por el agujero de entrada, pudiendo producir algun defecto sobrela impresora de deposicion o que este no se distribuya uniformemente. Ademas,tambien sirve para que el analito en cuestion pueda penetrar en el polımero queactua como elemento sensor.

Figura 3.24: Layout del sensor cuadrado.

La deposicion de los diferentes polımeros que serviran como dielectricos y portanto, como elemento sensible a los diferentes analitos y compuestos organicos volati-les, se llevara a cabo utilizando una impresora de inyeccion de tinta, concretamentela Fujifilm Dimatix DMP-2831, perteneciente al departamento de Quımica Analıticade la Universidad de Granada. Esta deposicion se llevara cabo a traves del agujerocentral que se ha disenado en el centro del sensor con este proposito en concreto.


CoventorWare dispone de una herramienta, que permite obtener una vista en3 dimensiones del MEMS disenado a traves del layout. Esto capacita al disenador,de una utilidad, para comprobar si el layout del sensor disenado corresponde alproposito de diseno inicial.En la figura 3.25, en la que se ha exagerado el eje Z diezveces mas, se puede observar la cavidad creada en la que se depositara el polımero.Esta figura fue obtenida simulando el proceso de fabricacion, deposicion y grabadomediante Coventorware.

(a) Perspectiva General Aumentada. (b) Seccion.

Figura 3.25: Aumento de diez veces mas del eje Z del sensor cuadrado.

Finalmente, en las figura 3.26, se puede observar las diferentes perspectivas queproduce CoventorWare, ya que este, una vez hecho el Layout, permite simularun crecimiento del sensor sobre una oblea, para poder comprobar que el Layoutrealizado, realmente se corresponde con el diseno deseado.

3.4. Conclusiones 63



(d) Alzado.

Figura 3.26: Sensor cuadrado generador por CoventorWare.

Capıtulo 4

Circuito deAcondicionamiento

Contenidos4.1. Diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1.1. Diseno sobre Macromodelo . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.1.2. Diseno del OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

65

66 Capıtulo 4. Circuito de Acondicionamiento

Durante el presente capıtulo se explicara el diseno realizado para el circuitode acondicionamiento de nuestro sensor. Para las simulaciones se trabajara con larelacion polımero-analito del que mejor rendimiento hemos obtenido en el capıtulo3, concretamente, haremos las simulaciones como si estuvieramos trabajando con elsensor cuadrado con PHEMA como dielectrico y vapor de agua como analito.

4.1. Diseno

El circuito general de aconcionamiento que vamos a implementar, es el que sepuede observar en la figura 4.1. Este corresponde a un amplificador de carga[12].Todo esto se disenara, atendiendo a motivos de fiabilidad, coste y funcionalidadrequerida del circuito, sobre tecnologıa de 0,35µm[53].

ÿ Vmid

ÿ C1

Sensor

Oscilador

ÿ C2

0.5pF

ÿ

S1

Reset

S2

Muestreo ÿ C3ý

ÿ

Salida

Figura 4.1: Circuito de acondicionamiento basado en amplificador de carga.

El funcionamiento de este circuito se basa en una amplificacion realizada por elprimer amplificador. Si se observa la figura anterior, se puede concluir que la tensionde salida Vsalida esta definido en la ecuacion 4.1.

Vsalida = Vmid −4VosciladorC1

C2(4.1)

mientras que el segundo amplificador operacional es simplemente un buffer quemuestra el valor de la tension lineal con C1.

Por lo que se puede extraer de la anterior ecuacion, la permitividad del polımeroque actua como elemento sensor mediante las ecuaciones 4.2 y 4.3.

εpolimero =(C1)polimero

(C1)aire(4.2)

εpolimero =(Vsalida − Vmid)polimero

(Vsalida − Vmid)aire(4.3)

4.1. Diseno 67

Esto quiere decir, que el presente trabajo se centrara sobre el diseno del losamplificadores operacionales para poder utilizar el amplificador de carga de la figura4.1.

4.1.1. Diseno sobre Macromodelo

En primer lugar, se llevo a cabo un diseno sobre un macromodelo de amplificadoroperacional. Este macromodelo sigue la estructura de la figura 4.2.

ÿ gmaVa I1

ý

ÿRa R1

ý

ÿCa C1ý

Vb Vin+

Vin−

Va

ÿ gmoVb I2

ý

ÿRo R2

ý

Vo

Figura 4.2: Macromodelo del amplificador operacional disenado.

En la figura 4.3 se pueden observar los resultados al simular el circuito 4.1sustituyendo los amplificadores por el macromodelo de la figura 4.2. Para ello se hacevariar la capacidad del sensor quımico entre 0.1 y 0.35pF y se hace una simulacionparametrica donde el parametro es la capacidad del sensor.

Figura 4.3: Simulacion del circuito de acondicionamiento con el macromodelo del amplificador.

De esta grafica podemos observar como con el circuito 4.1 de amplificacion decarga es apto para la monitorizacion del sensor quımico MEMS, ante una variacion


de los diferentes analitos sensados por los polımeros. Los parametros de este ma-cromodelo, se pueden observar en la tabla 4.1.

Parametro Valor

R0 1Ωgm0 106 µA/VAv 800 V/Vgma

104 µA/VRa 80kΩGB 8MHz

Tabla 4.1: Parametros del macromodelo.

4.1.2. Diseno del OTA

Por lo tanto, una vez fijados los requerimientos del amplificador operacionalde transconductancia (OTA), se comenzo por plantear que tipo de amplificadordisenar. De esta forma, y buscando siempre el amplificador mas simple que se ajustea las necesidades del presente trabajo, se partio en primer lugar del diseno de unamplificador diferencial simple, con transistores NMOS a la entrada y PMOS comocarga. Este circuito se puede ver en la figura 4.4.

0M1 Vin+ ÿ 1M2 Vin−

òVo=M3

<M4 ÿ

ÿ ÿó VCC

0Mb1

ý 1Mb2

ýÿ ÿ

Ibias I1

Figura 4.4: Amplificador diferencial disenado.

Siendo M1 y M2, los transistores de la etapa de entrada, M3 y M4 los de la cargaactiva, y Mb1 y Mb2 los de la etapa de polarizacion.

Utilizando una de las referencias [54], se procedio al diseno de este amplifica-dor diferencial, y comprobaremos, buscando que se adaptase a las necesidades defuncionamiento para el sensor presentado. En primer lugar se partio de unas espe-cificaciones, que al no necesitar de un amplificador de altas presentaciones fueronflexibles. En este caso, se ha fijado la ganancia alrededor de 800 V/V, una tension dealimentacion VDD = 3,3 con VSS = 0, un consumo de corriente ISS = 20µA, lo que

4.1. Diseno 69

fija una potencia de P = 66µW , ademas, se fijo el rango de entrada del modo comun(ICMR), con unos valores mınimos y maximos de 1.4 y 2.5 voltios respectivamente.

De esta forma, primero se dimensionaron los transistores tipo P M3 y M4 a partirdel maximo del rango de entrada del modo comun(VICmax). El lımite maximo parael circuito de la figura 4.4, esta definido en la siguiente ecuacion:

VICmax = VDD − VSG3 + VTN(4.4)

De esta ecuacion despejamos el valor de VSG3 y lo sustituimos en la ecuacion 4.5.[W

L

]3

=

[W

L

]4

=2 · ID3

KPP(VSG3

− VTP)2

(4.5)

donde ID3= 5µA. Obteniendo por lo tanto una relacion de aspecto entre los tran-

sistores[WL

]3

=[WL

]4

= 0,408 ∼ 0,4.A continuacion se fijo el valor de los transistores de entrada del par diferencial

M3 y M4 a partir de la ganancia deseada.

Av = gm1 ·Rout =gm1

gds2 + gds4=

√2ID1KPN

[WL

]1

(λN + λP )ID(4.6)

Por lo que, despejando[WL

]1

de la ecuacion 4.6 obtenemos una relacion de aspecto

para los transistores de entrada[WL

]1

=[WL

]2

= 7,99 ∼ 8.Finalmente, se dimensionaron los dos transistores del espejo de corriente encar-

gado de la polarizacion del circuito, estos transistores tambien tendran identicasdimensiones ya que lo unico que hacen es reflejar la corriente. Para su diseno, separtio de la tension mınima de entrada de modo comun (VICmin

), definida en laecuacion 4.7

VICmin= VSS − VDSb1

+ VGS1(4.7)

En primer, lugar se despeja VGS1de la definicion de corriente de un MOSFET,

dando lugar a la ecuacion 4.8.

VGS1=

√2ID1

KPN

[WL

]1

+ VTN(4.8)

Con este valor obtenido de VGS1(∼ 585mV ), se sustituyo en la ecuacion 4.7 y se

despejo el valor de VDS5. Y a partir de este valor, sustituyendolo en la ecuacion 4.9

se obtuvo la relacion entre las dimensiones de los transistores de polarizacion.[W

L

]b1

=

[W

L

]b2

=2IDb1

KPNVDS5

(4.9)

obteniendo en este lugar una relacion[WL

]b1

=[WL

]b2

= 0,98 ∼ 1


Una vez obtenidas estas relaciones de aspecto, se fue modificando la longitud yanchura de los transistores hasta fijar nuestros requisitos, obteniendo las dimensio-nes de la tabla 4.2.

Transistor Anchura Longitud

M1 32µ 4µM2 32µ 4µM3 8µ 20µM4 8µ 20µMb1 8µ 8µMb2 8µ 8µ

Tabla 4.2: Dimensiones de los transistores del amplificador diferencial.

Por lo tanto, definido el OTA diferencial, se procedera a caracterizarlo con algu-nas de sus caracterısticas principales. En la figura 4.5, se puede observar la respuestaen frecuencia, de donde pueden extraerse diferentes caracterısticas.

Figura 4.5: Ganancia Diferencial del OTA disenado.

De esta forma, se obtuvo una ganancia diferencial de 58.34dB, un ancho de bandade 15.65kHz, y una frecuencia a ganancia unidad de aproximadamente 7.131MHz.Ademas, el slew-rate del OTA es de 1,68 V/µs.

A priori, estos valores se ajustan a los requirimientos del amplificador operacionaldeseado, por lo tanto, si sustituimos esta celda dentro del circuito de la figura 4.1que se comporta como un amplificador de carga, y simulando una variacion en lacapacidad sensora, obtenemos la salida en tension de la figura 4.6.

Obteniendo la relacion entre la capacidad del sensor y la tension de salida quese puede observar en la figura 4.7.

4.1. Diseno 71

Figura 4.6: Simulacion de variacion del sensor capacitivo con el OTA disenado.

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

1,84

1,86

1,88

1,9

1,92

1,94

C1 (pF)

Vo

(V)

0,39 · x+ 1,8

Figura 4.7: Relacion C1 (capacidad del sensor) con la tension de salida.


4.2. Conclusiones

Como se ha presentado durante este capıtulo, utilizando un amplificador detransconductancia de tipo par diferencial se consiguen las suficientes prestacionescomo para implementar un amplificador de carga necesario para la monitorizacionde sensores quımicos MEMS capacitivos.

Este circuito se ha disenado sobre tecnologıa de 0.35µm de Austrian Microsys-tems. Como se puede observar en la figura 4.6, las senales obtenidas, para unavariacion entre 0.1pF y 0.35pF del sensor capacitivo (dentro de los margenes mos-trados en el capıtulo 3), el circuito disenado, producirıa una salida en tension quepodrıa ser perfectamente medida o procesada por un convertidor analogico-digital.

Capıtulo 5

Conclusiones y TrabajosFuturos

Contenidos5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.2. Trabajos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

73

74 Capıtulo 5. Conclusiones y Trabajos Futuros

5.1. Conclusiones

Durante el presente trabajo, se ha estudiado y disenado, un sistema de microsen-sores quımicos. Este sistema esta compuesto por los propios microsensores, desarro-llados en tecnologıa PolyMUMPs de MEMS y de un circuito de acondicionamientobasado en un amplificador de carga en tecnologıa AMS de 0.35µm.

Para ello, se comenzo planteando 3 estructuras geometricas diferentes como sen-sores capacitivos de tipo plano paralelos: cuadrada, circular y hexagonal. Estasestructuras se disenaron utilizando COMSOL. Estos sensores se disenaron conuna cavidad en su interior para alojar como dielectrico un polımero sensible a uncompuesto quımico. Como se ha dicho, este sensor capacitivo esta basado en la tec-nologıa PolyMUMPs, de forma, que el electrodo inferior es de la capa Poly0 y elsuperior de la Poly1.

El sistema propuesto tiene como principal objetivo la versatilidad a bajo coste.Esta caracterıstica viene dada por la posibilidad de monitorizar cualquier compuestoquımico simplemente modificando el polımero interior del sensor MEMS capacitivo.Por lo tanto, a continuacion, se llevaron a cabo simulaciones, tambien utilizandoCOMSOL, en las que el parametro fue la concentracion del analito a estudiar paralos diferentes polımeros, estableciendo previamente una relacion analito-polımero.

Una vez comprobado que las diferentes estructuras geometricas responden de lamisma forma, para el mismo polımero y ante el mismo analito, se realizo el layoutdel sensor de estructura cuadrada, ya que este es el mas sencillo de fabricar. Estelayout se llevo a cabo mediante la herramienta de diseno CAD CoventorWare.

Finalmente, para facilitar la monitorizacion del analito quımico en cuestion,se ha desarrollado y caracterizado un circuito de acondicionamiento basado en unamplificador de carga, para detectar las variaciones sobre el sensor capacitivo, de talforma que la salida de dicho circuito se pueda conectar directamente a un convertidoranalogico digital sin necesitar uno de altas prestaciones.

Para caracterizar el circuito de acondicionamiento, en primer lugar se partio deldiseno de un macromodelo de amplificador operacional, para a continuacion pasara un diseno de un OTA diferencial, Buscando siempre el diseno mas simple posibleque asegurase un correcto funcionamiento de todo el sistema. El diseno de esteamplificador se realizo sobre tecnologıa AMS de 0.35µm utilizando Cadence.

5.2. Trabajos Futuros 75

5.2. Trabajos Futuros

A pesar de que los MEMS llevan varios anos dentro de la industria y la investi-gacion, todavıa es una tecnologıa emergente, al igual que lo son los sensores basadosen polımeros.

Por lo tanto, este trabajo propone las siguientes lineas que pueden servir comocontinuacion del presente trabajo, dentro de los dos grandes temas que se handesarrollado:

Dentro de los sensores MEMS:

Fabricar los sensores en las tres geometrıas.

Testear el comportamiento de los sensores ante los polımeros presentados.

Investigar sobre nuevos posibles polımeros o materiales sensibles a di-ferentes analitos, a fin de conseguir una base de datos que relacione“elementos sensores-analitos” lo mas amplia posible, y que nos permitaampliar la aplicacion de los sensores a mas ambitos.

Investigar las posibilidades de fabricacion de los microsensores en proce-sos customizados.

Desarrollo de sensores de mayor area, a fin de aumentar la capacidad delsensor.

Dentro de los circuitos de acondicionamiento:

Desarrollar un layout eficiente del circuito, a fin de reducir el offset debidoal scatering de los procesos de fabricacion.

Estudiar la posibilidad de utilizar capacidades MIM (Metal-Insulator-Metal) o MOM (Metal-Oxide-Metal) o utilizar capacidades externas paraque sean mas lineales.

Implementar dentro del sistema de amplificacion de carga, un sistemalogico, que permita variar la capacidad del lazo de realimentacion a finde poder variar la ganancia para permitir utilizar el mismo circuito deacondicionamiento para diferentes relaciones polımero-analito.

76 Capıtulo 5. Conclusiones y Trabajos Futuros

Apendice A

Proceso PolyMUMPs

77

78 Apendice A. Proceso PolyMUMPs

El proceso PolyMUMPs es un proceso de micromachining de tres capas super-ficiales de polisilicio que proviene de otros trabajos llevados a cabos en el centro desensores y actuadores de Berkeley (BSAC) en la Universidad de California durantela ultima parte de los anos ochenta y la primera de los noventa. Se han llevado acabo varias modificaciones y mejoras para aumentar la flexibilidad y la versatilidadde los procesos en ambientes multiusuario.

Figura A.1: Oblea dopada con fosforo, deposicion LPCVD de nitruro y polisilicio. Recubrimientocon fotoresistencia para modelar el polisilicio mediante fotolitografıa.

El proceso comienza con una oblea de silicio tipo-n (100) de 100mm de espesory de una resistividad de 1-2Ω − cm. La superficie de las obleas son inicialmentealtamente dopadas con fosforo mediante una difusion estandar utilizando POCl3como fuente dopante. Esto ayuda a reducir o prevenir cargas al substrato a travesde fuentes electrostaticas a la superficie. A continuacion, la capa de 600nm de nitrurode silicio se deposita mediante una tecnica LPCVD de bajo estres en la oblea comocapa de aislamiento. Esto es seguido directamente por la deposicion de una peliculade 500nm de polisilicio tambien mediante LPCVD, que constituye la capa Poly0.Poly0 es por lo tanto modelada mediante un proceso de fotolitografıa, un procesoque incluye un recubrimiento de la oblea con una fotoresistencia (figura A.1), laexposicion de la fotoresistencia con una mascara apropiada y la exposicion de dichafotoresistencia utilizando una mascara deseada para realizar el posterior grabado enla capa de polisilicio (figura A.2). Despues del modelado de la fotoresistencia, la capaPoly0 es grabada mediante sistema RIE (figura A.3). Un cristal de fosfosilicato que seutiliza como capa de sacrifio es depositada mediante LPCVD (fig. A.4) y es recocidaa 1050ºC durante una hora en Argon. Esta capa de PSG, conocida como primeracapa de oxido(Oxido1), se elimina al final del proceso para liberal la primera capamecanica de polisilicio. La capa de sacrificio es litograficamente modelada con unamascara de pequenos agujeros denominados ”dimples”de forma que estos dimplesse transfieren a la capa de PSGG de sacrificio mediante RIE como se observa en lafigura A.5. La profundidad nominal de los dimples es de 750nm. Las obleas son porlo tanto modeladas, con una tercera mascara, denominada Anchor1, y sin grabadasmediante RIE(ver figura A.6). Este paso provee de unos agujeros de soporte que serellenaran de la capa de polisilicio 1 (Poly1).

79

Figura A.2: Despues de la exposicion de la fotoresistencia a luz ultravioleta.

Figura A.3: Grabado RIE sobre el polisilicio.

Figura A.4: Deposicion de la primera capa de oxido.

Figura A.5: Fotolitografıa de la capa de sacrificio para crear los dimples.

Despues del grabado de la capa Anchor1, una primera capa estructural depolisilicio(Poly1) es depositada con un espesor de 2,0µm. Una delgada (200nm)capa de PSG se deposita encima y se recuece a 1050ºC durante una hora (figuraA.7). El recocido dopa al polisilicio con fosforo de las capas inferior y superior dePSG. Ademas, el recocido tambien sirve para reducir significativamente el estres de


Figura A.6: Grabado RIE para la definicion de la capa Anchor1.

la capa de Poly1. El polisilicio (y su mascara de PSG) es modelado mediante lito-grafıa utilizando una mascara disenada para formar la primera capa estructural dePoly1. La capa PSG es grabada para producir una mascara dura para el siguientegrabado de polisilicio. La mascara dura es mas resistente al atacado quımico depolisilicio que la fotoresistencia y asi se asegura una mejor transferecia del patronal polisilicio. Despues del grabado del polisilicio (figura A.8), la fotoresistencia seretira y el oxido que actuaba como mascara dura que queda se elimina medianteRIE.

Figura A.7: Recocido de PSG sobre la capa de Poly1.

Figura A.8: Grabado sobre la capa de Poly1.

81

Despues del grabado del Poly1, una segunda capa de PSG (Oxido2) se depositay se recuece(figura A.9. El segundo oxido se modela utilizando dos mascaras degrabado diferentes con diferentes propositos:

Poly1-Poly2-Via provee agujeros de grabado en el segundo oxido para bajar a lacapa Poly1. Esto se consigue mediante una fotolitografıa y grabado con RIE(figura A.10).

Anchor2 provee un grabado tanto en la primera como en la segunda capa de oxidoen un unico paso, eliminando cualquier desalineamiento entre agujeros degrabado separados. Mas importante, esta capa elimina la necesidad de hacerun primer corte en el primer oxido evitando danos a las capas Poly0 o Nitruro.

Figura A.9: Grabado sobre la capa de Poly1.

Figura A.10: Grabado sobre la capa de Oxido1 para llegar a la capa de Poly1.

La figura A.11 se muestra una seccion de la oblea despues de llevar a cabotanto los niveles Poly1-Poly2-Via y Anchor2. La segunda capa estructural, Poly2, esdepositada (con un espesor de 1,5µm) seguida de una deposicion de PSG de 200nm.Al igual que el para el Poly1, la fina capa de PSG actua tanto como mascara degrabado como fuente de dopante para el Poly2 (ver figura A.12). La oblea es entoncesrecocida durante una a hora a 1050ºC para dopar el polisilicio y reducir el estres


residual. La capa de Poly2 es litograficamente modelada con la septima mascara ylas capas de Poly2 y PSG son grabadas utilizando RIE en las mismas condicionesque para el Poly1. La fotoresistencia es entonces retirada y la mascara de oxidoeliminada (figura A.13).

Figura A.11: Niveles Poly1 Poly2 Via y Anchor2.

Figura A.12: Deposicion de la mascara de PSG sobre la capa de Poly2.

Figura A.13: Fotolitografıa y grabado sobre Poly2.

83

La capa depositada al final del proceso PolyMUMPs es una capa de metal (oro)de 0,5µm de espesor para testeo, bonding, ruteado electrico y como superficie de altareflexion. La oblea es modelada litrograficamente con la octava mascara y el metal esdepositado y modelado utilizando una tecnica lift-off. Al final, la inedita estructurase muestra en la figura A.14. La oblea por lo tanto, es cortada, empaquetada yenviada al usuario de PolyMUMPs para la eliminacion de las capas de sacrificioy testeo. En la figura A.15 se muestra el dispositivo despues de la eliminacion deloxido de sacrificio. Esta limpieza se lleva a cabo sumergiendo el chip en un banodel 49 % de HF (a temperatura ambiente) entre 1.5 y 2 minutos. Esto es seguidode agua desionizada(DI) durante varios minutos y finalmente acohol para reducirla friccion continuado de un horneado a 110ºC durante al menos 10 minutos.

Figura A.14: Deposicion del metal.

Figura A.15: Eliminacion de la capa de Oxido2.

Normalmente los usuarios reciben los dispositivos y realizan ellos mismos laeliminacion de las capas de sacrificio. Sin embargo, para aquellos clientes que lorequieran, MEMSCAP puede hacerlo por ellos por un coste adicional.

Apendice B

AMS 0.35µm

85

ENG – 182 Rev. 6.0 0.35 µm CMOS C35 Process Parameters

Page 8 / 95 Release Date 12.12.2008

2 General

2.1 Wafer Cross – Section

Metalc

Via1

Via2

Via3

MIM Capacitor

P−Well

Metal2

POLY1−POLY2 Capacitor

Metal1

SourcePOLY2 Resistor

P−SubstrateP−MOS

GateDrain

N−Well

DrainGate

PROT2

Metal4 or Thick Metal

FOX

ILDFOX

Metal3IMD3

IMD1

IMD2

PROT1

N−MOS

n+

Source

n+ p+ p+



3.2.2 MOS Electrical Parameters

3.2.2.1 MOS 3.3V N-Channel Electrical Parameters : NMOS

PASS/FAIL PARAMETERS

Parameter Symbol Min Typ Max Unit Note

threshold voltage long channel 10x10 VTO10X10N 0.36 0.46 0.56 V 6

threshold voltage short channel 10x0.35

VTO10X035N 0.40 0.50 0.60 V 6

threshold voltage short channel 10x0.35 (measured in linear region)

VT_N3 0.49 0.59 0.69 V 6

threshold voltage poly on field 0.75µm VTFPN 15 > 20 V 9

effective channel length 0.35µm LEFF035N 0.30 0.38 0.46 µm 10

effective channel width 0.4µm WEFF04N 0.20 0.35 0.50 µm 11

body factor long channel 10x10 GAMMAN 0.48 0.58 0.68 V½ 12

gain factor KPN 150 170 190 µA/V² 7

drain-source breakdown 0.35µm BVDS035N 7 > 8 V 14

saturation current 0.35µm IDS035N 450 540 630 µA/µm 15

substrate current 0.35µm ISUB035N 1.5 3 µA/µm 16

subthreshold leakage current 0.35µm SLEAK035N 0.5 2 pA/µm 17

gate oxide breakdown BVGOXN 7 > 8 V 18

INFORMATION PARAMETERS

active channel length 0.35µm LACT035N 0.29 µm 26

threshold voltage narrow channel 0.4x10

VTO04X10N 0.46 V 6

threshold voltage small channel 0.4x0.35

VTO04X035N 0.48 V 6

threshold voltage temperature coefficient

TCVTON -1.1 mV/K 13

effective substrate doping NSUBN 212 1015/cm³ 12

effective mobility UON 370 cm²/Vs 8

mobility exponent BEXN -1.8 - 13



3.2.2.2 MOS 3.3V P-Channel Electrical Parameters : PMOS Negative values are considered as absolute values for their Min/Max limits.

PASS/FAIL PARAMETERS

Parameter Symbol Min Typ Max Unit Note

threshold voltage long channel 10x10 VTO10X10P -0.58 -0.68 -0.78 V 6

threshold voltage short channel 10x0.35 VTO10X035P -0.55 -0.65 -0.75 V 6

threshold voltage short channel 10x0.35 (measured in linear region)

VT_P3 -0.62 -0.72 -0.82 V 6

threshold voltage poly on field 0.75µm VTFPP -15 < -20 V 9

effective channel length 0.35µm LEFF035P 0.42 0.50 0.58 µm 10

effective channel width 0.4µm WEFF04P 0.20 0.35 0.50 µm 11

body factor long channel 10x10 GAMMAP -0.32 -0.40 -0.48 V½ 12

gain factor KPP 48 58 68 µA/V² 7

drain-source breakdown 0.35µm BVDS035P -7 < -8 V 14

saturation current 0.35µm IDS035P -180 -240 -300 µA/µm 15

subthreshold leakage current 0.35µm SLEAK035P -0.5 -2 pA/µm 17

gate oxide breakdown BVGOXP -7 < -8 V 18

INFORMATION PARAMETERS

active channel length 0.35µm LACT035P 0.31 µm 26

threshold voltage narrow channel 0.4x10 VTO04X10P -0.90 V 6

threshold voltage small channel 0.4x0.35 VTO04X035P -0.68 V 6

threshold voltage temperature coefficient TCVTOP 1.8 mV/K 13

effective substrate doping NSUBP 101 1015/cm³ 12

effective mobility UOP 126 cm²/Vs 8

mobility exponent BEXP -1.30 - 13

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