Monolithic sensor integration in CMOS technologies

© 2023 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Besides being mainstream for mixed-signal electronics, CMOS technology can be used to integrate micro-electromechanical system (MEMS) on a single die, taking advantage of the structures and materials available in feature sizes around 180 nm. In this article, we demonstrate that the CMOS back-end-of-line (BEOL) layers can be postprocessed and be opportunistically used to create several kinds of MEMS sensors exhibiting good or even excellent performance, such as accelerometers, pressure sensors, and magnetometers. Despite the limitations of the available mechanical and material properties in CMOS technology, due to monolithic integration, these are compensated by the significant reduction of parasitics and system size. Furthermore, this work opens the path to create monolithic integrated multisensor (and even actuator) chips, including data fusion and intelligent processing.This work was supported in part by Baolab Microsystems; in part by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities (MCIN); in part by the State Research Agency (AEI); in part by the European Social Fund (ESF) under Project RTI2018-099766-B-I00; in part by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 under Grant PID2021-123535OB-I00; and in part by ERDF, “A way of making Europe.” The associate editor coordinating the review of this article and approving it for publication was Prof. Jean-Michel Redoute.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) and Fluid Flows

The micromachining technology that emerged in the late 1980s can provide micron-sized sensors and actuators. These micro transducers are able to be integrated with signal conditioning and processing circuitry to form micro-electro-mechanical-systems (MEMS) that can perform real-time distributed control. This capability opens up a new territory for flow control research. On the other hand, surface effects dominate the fluid flowing through these miniature mechanical devices because of the large surface-to-volume ratio in micron-scale configurations. We need to reexamine the surface forces in the momentum equation. Owing to their smallness, gas flows experience large Knudsen numbers, and therefore boundary conditions need to be modified. Besides being an enabling technology, MEMS also provide many challenges for fundamental flow-science research

Improved micro-contact resistance model that considers material deformation, electron transport and thin film characteristics

This paper reports on an improved analytic model forpredicting micro-contact resistance needed for designing microelectro-mechanical systems (MEMS) switches. The originalmodel had two primary considerations: 1) contact materialdeformation (i.e. elastic, plastic, or elastic-plastic) and 2) effectivecontact area radius. The model also assumed that individual aspotswere close together and that their interactions weredependent on each other which led to using the single effective aspotcontact area model. This single effective area model wasused to determine specific electron transport regions (i.e. ballistic,quasi-ballistic, or diffusive) by comparing the effective radius andthe mean free path of an electron. Using this model required thatmicro-switch contact materials be deposited, during devicefabrication, with processes ensuring low surface roughness values(i.e. sputtered films). Sputtered thin film electric contacts,however, do not behave like bulk materials and the effects of thinfilm contacts and spreading resistance must be considered. Theimproved micro-contact resistance model accounts for the twoprimary considerations above, as well as, using thin film,sputtered, electric contact

Development of novel micropneumatic grippers for biomanipulation

Microbjects with dimensions from 1 μm to 1 mm have been developed recently for different aspects and purposes. Consequently, the development of handling and manipulation tools to fulfil this need is urgently required. Micromanipulation techniques could be generally categorized according to their actuation method such as electrostatic, thermal, shape memory alloy, piezoelectric, magnetic, and fluidic actuation. Each of which has its advantage and disadvantage. The fluidic actuation has been overlooked in MEMS despite its satisfactory output in the micro-scale. This thesis presents different families of pneumatically driven, low cost, compatible with biological environment, scalable, and controllable microgrippers. The first family demonstrated a polymeric microgripper that was laser cut and actuated pneumatically. It was tested to manipulate microparticles down to 200 microns. To overcome the assembly challenges that arise in this family, the second family was proposed. The second family was a micro-cantilever based microgripper, where the device was assembled layer by layer to form a 3D structure. The microcantilevers were fabricated using photo-etching technique, and demonstrated the applicability to manipulate micro-particles down to 200 microns using automated pick-and-place procedure. In addition, this family was used as a tactile-detector as well. Due to the angular gripping scheme followed by the above mentioned families, gripping smaller objects becomes a challenging task. A third family following a parallel gripping scheme was proposed allowing the gripping of smaller objects to be visible. It comprises a compliant structure microgripper actuated pneumatically and fabricated using picosecond laser technology, and demonstrated the capability of gripping microobject as small as 100 μm microbeads. An FEA modelling was employed to validate the experimental and analytical results, and excellent matching was achieved

Responsive liquid crystal networks

Responsieve polymeren zijn interessant voor een groot aantal toepassingen, omdat de eigenschappen van deze materialen over een breed bereik ingesteld kunnen worden en het bovendien mogelijk is om ze tegen lage kosten en op grote schaal te fabriceren. Vloeibaar-kristallijne netwerken vormen een platformtechnologie voor deze responsieve materialen. Een groot aantal stimulusgevoelige moleculen kunnen worden toegevoegd om het polymeer gevoelig te maken voor warmte, licht, pH, waterdamp of biologische stimuli. De vloeibaar-kristallijne kernen van het polymere netwerk versterken de stimulus, wat snelle en grote responsies tot gevolg heeft. De responsies kunnen zowel mechanische als optische veranderingen zijn, en zijn naar wens reversibel of irreversibel te maken. In dit werk wordt het gebruik van deze materialen in microsystemen, zoals lab-on-a-chip, onderzocht. Actuatie met licht wordt gekozen omdat dit compatibel is met een natte omgeving en van afstand aangestuurd kan worden.Theoretische en experimentele resultaten laten zien dat door een optimalisatie van de moleculaire ordening in een ‘splaybend’ orientatie, de prestaties van buigende actuatoren sterk verbeterd kan worden. Daarnaast is er theorie ontwikkeld die de beweging van de actuator onder invloed van aansturing met licht beschrijft en deze theorie wordt door experimentele resultaten bevestigd. Voor toepassing in microfluidische systemen worden actuatoren ontworpen die gebaseerd zijn op cilia in natuurlijke organismen. Deze actuatoren kunnen dienen als pompen en mixers, maar daarvoor is het noodzakelijk dat de beweging van de cilia asymmetrisch in de tijd is. Verschillende manieren voor het genereren van deze asymmetrische beweging zijn onderzocht. Eén manier maakt gebruik van actuatoren bestaande uit verschillende delen die elk reageren op een andere kleur licht. Een andere manier maakt gebruik van een gradient in compositie van de actuator door de dikte van het materiaal, waardoor een sterk niet-lineaire responsie ontstaat. Verschillende methodes voor het miniaturiseren van deze actuatoren zijn verkend, waaronder lithografie en inkjet printen. Het is aangetoond dat met inkjet printen, actuatoren kleiner dan een millimeter gemaakt kunnen worden, zonder dat de prestaties van de actuatoren daaronder te leiden heeft. Behalve de toepassing van vloeibaar-kristallijne netwerken als actuatoren is de toepassing als sensor ook onderzocht. Als het materiaal een cholesterische ordening heeft, kan dit een gedeelte van het licht reflecteren. Als de reflectieband in het zichtbare gedeelte van het licht ligt, lijkt het materiaal een kleur te hebben. Net als bij de actuatoren kan het netwerk gedeformeerd worden door de moleculaire ordening te verstoren of door het te laten zwellen of krimpen, hetgeen een zichtbare verschuiving van de reflectieband tot gevolg kan hebben. Het is aangetoond dat door gebruik te maken van waterstofbruggen in het netwerk, cholesterische sensoren kunnen reageren op vluchtige amines, pH of temperatuur. Als alternatief voor de licht gestuurde actuatoren zijn magnetisch gedreven, ferromagnetische systemen onderzocht. Magnetische velden zijn net als licht compatibel met een nat milieu en kunnen van afstand aansturen. Twee methodes zijn onderzocht om kunstmatige magnetische cilia te maken: ‘glancing angle’ depositie van nikkel op PDMS scharnieren en electrolytisch gegroeid nikkel in een membraan. De beste resultaten werden bereikt met electrolytische gegroeide staafjes die vrij in een kanaal ronddreven. Toepassingen van de actuatoren uit dit onderzoek liggen in medische applicaties zoals lab-on-a-chip systemen, maar ook in andere toepassingen zoals mechatronica en textiel. Omdat de materialen in een continu proces aan de lopende band verwerkt kunnen worden, hebben ze de potentie om in goedkope systemen zoals slimme verpakkingen of wegwerp applicaties toegepast te worden

Design, fabrication, characterization and reliability study of CMOS-MEMS Lorentz-Force magnetometers

Tesi en modalitat de compendi de publicacionsToday, the most common form of mass-production semiconductor device fabrication is Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology. The dedicated Integrated Circuit (IC) interfaces of commercial sensors are manufactured using this technology. The sensing elements are generally implemented using Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS), which need to be manufactured using specialized micro-machining processes. Finally, the CMOS circuitry and the MEMS should ideally be combined in a single package. For some applications, integration of CMOS electronics and MEMS devices on a single chip (CMOS-MEMS) has the potential of reducing fabrication costs, size, parasitics and power consumption, compared to other integration approaches. Remarkably, a CMOS-MEMS device may be built with the back-end-of-line (BEOL) layers of the CMOS process. But, despite its advantages, this particular approach has proven to be very challenging given the current lack of commercial products in the market. The main objective of this Thesis is to prove that a high-performance MEMS, sealed and packaged in a standard package, may be accurately modeled and manufactured using the BEOL layers of a CMOS process in a reliable way. To attain this, the first highly reliable novel CMOS-MEMS Lorentz Force Magnetometer (LFM) was successfully designed, modeled, manufactured, characterized and subjected to several reliability tests, obtaining a comparable or superior performance to the typical solid-state magnetometers used in current smartphones. A novel technique to avoid magnetic offsets, the main drawback of LFMs, was presented and its performance confirmed experimentally. Initially, the issues encountered in the manufacturing process of MEMS using the BEOL layers of the CMOS process were discouraging. Vapor HF release of MEMS structures using the BEOL of CMOS wafers resulted in undesirable damaging effects that may lead to the conclusion that this manufacturing approach is not feasible. However, design techniques and workarounds for dealing with the observed issues were devised, tested and implemented in the design of the LFM presented in this Thesis, showing a clear path to successfully fabricate different MEMS devices using the BEOL.Hoy en día, la forma más común de producción en masa es una tecnología llamada Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS). La interfaz de los circuitos integrados (IC) de sensores comerciales se fabrica usando, precisamente, esta tecnología. Actualmente es común que los sensores se implementen usando Sistemas Micro-Electro-Mecánicos (MEMS), que necesitan ser fabricados usando procesos especiales de micro-mecanizado. En un último paso, la circuitería CMOS y el MEMS se combinan en un único elemento, llamado package. En algunas aplicaciones, la integración de la electrónica CMOS y los dispositivos MEMS en un único chip (CMOS-MEMS) alberga el potencial de reducir los costes de fabricación, el tamaño, los parásitos y el consumo, al compararla con otras formas de integración. Resulta notable que un dispositivo CMOS-MEMS pueda ser construido con las capas del back-end-of-line (BEOL) de un proceso CMOS. Pero, a pesar de sus ventajas, este enfoque ha demostrado ser un gran desafío como demuestra la falta de productos comerciales en el mercado. El objetivo principal de esta Tesis es probar que un MEMS de altas prestaciones, sellado y empaquetado en un encapsulado estándar, puede ser correctamente modelado y fabricado de una manera fiable usando las capas del BEOL de un proceso CMOS. Para probar esto mismo, el primer magnetómetro CMOS-MEMS de fuerza de Lorentz (LFM) fue exitosamente diseñado, modelado, fabricado, caracterizado y sometido a varias pruebas de fiabilidad, obteniendo un rendimiento comparable o superior al de los típicos magnetómetros de estado sólido, los cuales son usados en móviles actuales. Cabe destacar que en esta Tesis se presenta una novedosa técnica con la que se evitan offsets magnéticos, el mayor inconveniente de los magnetómetros de fuerza Lorentz. Su efectividad fue confirmada experimentalmente. En los inicios, los problemas asociados al proceso de fabricación de MEMS usando las capas BEOL de obleas CMOS resultaba desalentador. Liberar estructuras MEMS hechas con obleas CMOS con vapor de HF producía efectos no deseados que bien podrían llevar a la conclusión de que este enfoque de fabricación no es viable. Sin embargo, se idearon y probaron técnicas de diseño especiales y soluciones ad-hoc para contrarrestar estos efectos no deseados. Se implementaron en el diseño del magnetómetro de Lorentz presentado en esta Tesis, arrojando excelentes resultados, lo cual despeja el camino hacia la fabricación de diferentes dispositivos MEMS usando las capas BEOL.Postprint (published version

Modular integration and on-chip sensing approaches for tunable fluid control polymer microdevices

228 p.Doktore tesi honetan mikroemariak kontrolatzeko elementuak diseinatu eta garatuko dira, mikrobalbula eta mikrosentsore bat zehazki. Ondoren, gailu horiek batera integratuko dira likido emari kontrolatzaile bat sortzeko asmotan. Helburu nagusia gailuen fabrikazio arkitektura modular bat frogatzea da, non Lab-on-a-Chip prototipoak garatzeko beharrezko fase guztiak harmonizatuz, Cyclic-Olefin-Polymer termoplastikozko mikrogailu merkeak pausu gutxi batzuetan garatuko diren, hauen kalitate industriala bermatuz. Ildo horretan, mikrogailuak prototipotik produkturako trantsizio azkar, erraz, errentagarri eta arriskurik gabeen bidez lortu daitezkeenetz frogatuko da

Microfabricated pressure and shear stress sensors

A microfabricated pressure sensor. The pressure sensor comprises a raised diaphragm disposed on a substrate. The diaphragm is configured to bend in response to an applied pressure difference. A strain gauge of a conductive material is coupled to a surface of the raised diaphragm and to at least one of the substrate and a piece rigidly connected to the substrate