Realization of CMOS compatible micromachined chemical sensors

Abstract

ÖZET Günümüzde toplum, çevre ve sağlık konusunda daha duyarlıdır. Bunun sonucu olarak, özellikle gelişen sanayi ve teknoloji ile birlikte, çevremizde bulunup, sağlığımızı etkileyen kimyasalların hızlı ve seçici bir şekilde algılanması daha da önem kazanmıştır. Değişik devre formlarında (pasif-resistör, aktif-mikroelektronik, akustik dalga), yarı-iletken tipi sensörler, 1960'lı yılların başından günümüze kadar, ticari uygulamalarda, bio-medikal, savunma ve endüstri alanlarında, kimyasalların türü ve miktarının ölçümünde yaygın olarak kullanılmakta dır. Bu tür devrelerin temel değerlendirme kriterleri; operasyonun basitliği, yapısının küçüklü ğü, maliyetinin ucuz olması, uzun ömürlü olması, tepkinin tekrarlanabilmesi, hassasiyeti ve seçiciliğidir. Pozlama, ince film, aşındırma, difüzyon ve yarı-iletken teknolojisinde meydana gelen gelişmeler, bugün kullandığımız yüksek hızda, düşük boyut ve fiyatlı entegre devrelerin üretimine imkan sağlamıştır. Daha çok iki boyutlu olan bu üretim teknolojisine, özel aşındırı cılar, aşındırma durdurma teknikleri ve geçici katmanların kombinasyonundan oluşan mikroiş- leme teknolojisi de eklenerek, üçüncü bir boyut kazandırılmıştır. Mikroişleme, mikron boyutlu yapıların üretimi için kullanılan tekniklerin genel adıdır. Mikroişleme tekniklerinin en önemli ayrıcalığı tümdevre (IC) yapımında kullanılan mikroelektronik endüstrisiyle aynı teknolojiyi kullanmasıdır. Bu iki üretim teknolojilerinin biriri ile olan benzerliği kullanılarak, mekanik yapıların ve bunları kontrol eden ve gözetleyen elektronik devrelerin aynı taban üzerinde gerçeklenmeleri sağlanarak, mikroelektromekanik (MEMS) yapıları oluşturulmuştur. Bu tezde, MEMS teknolojisi kullanılarak, performans parametreleri iyileştirilmiş kimyasal sensörlerinin ve sensör seçimine karar veren ve sinyali algılanabilir şekilde işleyen okuma ve kontrol tüm devrelerinin tasarımı ve üretimi gerçeklenmiştir. Bu amaçla matriksel yapılar kullanarak, seçiciliği ve duyarlılığı yüksek sensör sistemi ve yüksek sıcaklıkta ve düşük güc sarfiyatında çalışacak şekilde tasarlanmış ve simulasyon ile görülmüştür. Sensör işlenmesi için yüksek kazanç ve geniş bantlı işlemsel kuvvetlendirici tasarlanmış ve üretilmiştir.vıı

REALIZATION OF CMOS COMPATIBLE MICROMACHINED CHEMICAL SENSORS ABSTRACT The chemical sensors are fabricated using IC manufacturing technologies, providing a smaller size and lower weight, lower power consumption, and lower cost due to the auto mated and batch production. During the last two decades, largely two-dimensional Inte grated Circuit (IC) fabrication technology has been extended into the third dimension by micromachining technologies [1]. Micromachining has been used to produce a growing vari ety of micromechanical structures, including automotive pressure sensors, airbag deployment accelerometers and many others [2-4]. Given the similarities in IC fabrication and microma chining, microelectronics and micromechanics may be integrated on a single chip, allowing an on-chip monitoring and control of the mechanical/chemical functions. This has led to the term microelectromechanical systems (MEMS) to describe this technology. The use of MEMS technology could provide a number of opportunities for gas sensors: the sensing elements can be miniaturized (reducing power consumption), multiple elements can be integrated into array configurations with each element optimized to sense a different gas, improved selec tivity/sensitivity and the integration of sensing and signal processing/control devices on the same substrate. In addition, due to the small mass of micromachined-sensor element, rapid thermal programming can be employed to introduce a level of kinetic selectivity into the operation of the sensor. In this thesis, realization of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) com patible chemical sensors using micromachining technology will be explained. During this realization 3x2 sensor array is designed to improve the selectivity and sensitivity of the sen sor system. To address the needs of convenient and batch processes CMOS compatibility is incorporated inside the fabrication flow because CMOS compatibility offers convenient merging with read-out circuitry which comprises of operational transconductance ampli- fiers(OTAs). OTAs are preferred in this design because they assist the detection of the resistance changes at the sensor output. VI