Design of a Digital Temperature Sensor based on Thermal Diffusivity in a Nanoscale CMOS Technology

Temperature sensors are widely used in microprocessors to monitor on-chip temperature gradients and hot-spots, which are known to negatively impact reliability. Such sensors should be small to facilitate floor planning, fast to track millisecond thermal transients, and easy to trim to reduce the associated costs. Recently, it has been shown that thermal diffusivity (TD) sensors can meet these requirements. These sensors operate by digitalizing the temperature-dependent delay associated with the diffusion of heat pulses through an electro-thermal filter (ETF), which, in standard CMOS, can be readily implemented as a resistive heater surrounded by a thermopile. Unlike BJT-based temperature sensors, their accuracy actually improves with CMOS scaling, since it is mainly limited by the accuracy of the heather/thermopile spacing. In this work is presented the electrical design of an highly digital TD sensor in 0.13 µm CMOS with an accuracy better than 1 ºC resolution at with 1 kS/s sampling rate, and which compares favourably to state-of-the-art sensors with similar accuracy and sampling rates [1][2][3][4]. This advance is mainly enabled by the adoption of a highly digital CCO-based phasedomain ΔΣ ADC. The TD sensor presented consists of an ETF, a transconductance stage, a current-controlled oscillator (CCO) and a 6 bit digital counter. In order to be easily ported to nanoscale CMOS technologies, it is proposed to use a sigmadelta modulator based on a CCO as an alternative to traditional modulators. And since 70% of the sensor’s area is occupied by digital circuitry, porting the sensor to latest CMOS technologies process should reduce substantially the occupied die area, and thus reduce significantly the total sensor area

Electrostatic Discharge

As we enter the nanoelectronics era, electrostatic discharge (ESD) phenomena is an important issue for everything from micro-electronics to nanostructures. This book provides insight into the operation and design of micro-gaps and nanogenerators with chapters on low capacitance ESD design in advanced technologies, electrical breakdown in micro-gaps, nanogenerators from ESD, and theoretical prediction and optimization of triboelectric nanogenerators. The information contained herein will prove useful for for engineers and scientists that have an interest in ESD physics and design

A VCO-based CMOS readout circuit for capacitive MEMS microphones

Microelectromechanical systems (MEMS) microphone sensors have significantly improved in the past years, while the readout electronic is mainly implemented using switched-capacitor technology. The development of new battery powered 'always-on” applications increasingly requires a low power consumption. In this paper, we show a new readout circuit approach which is based on a mostly digital Sigma Delta (SigmaDelta) analog-to-digital converter (ADC). The operating principle of the readout circuit consists of coupling the MEMS sensor to an impedance converter that modulates the frequency of a stacked-ring oscillator—a new voltage-controlled oscillator (VCO) circuit featuring a good trade-off between phase noise and power consumption. The frequency coded signal is then sampled and converted into a noise-shaped digital sequence by a time-to-digital converter (TDC). A time-efficient design methodology has been used to optimize the sensitivity of the oscillator combined with the phase noise induced by 1/𝑓 and thermal noise. The circuit has been prototyped in a 130 nm CMOS process and directly bonded to a standard MEMS microphone. The proposed VCO-based analog-to-digital converter (VCO-ADC) has been characterized electrically and acoustically. The peak signal-to-noise and distortion ratio (SNDR) obtained from measurements is 77.9 dB-A and the dynamic range (DR) is 100 dB-A. The current consumption is 750 muA at 1.8 V and the effective area is 0.12 mm2. This new readout circuit may represent an enabling advance for low-cost digital MEMS microphones.This research was funded by project TEC2017-82653-R of CICYT, Spain

High performance 3-folded symmetric decoupled MEMS gyroscopes

This thesis reports, for the first time, on a novel design and architecture for realizing inertial grade gyroscope based on Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology. The proposed device is suitable for high-precision Inertial Navigation Systems (INS). The new design has been investigated analytically and numerically by means of Finite Element Modeling (FEM) of the shapes, resonance frequencies and decoupling of the natural drive and sense modes of the various implementations. Also, famous phenomena known as spring softening and spring hardening are studied. Their effect on the gyroscope operation is modeled numerically in Matlab/Simulink platform. This latter model is used to predict the drive/sense mode matching capability of the proposed designs. Based on the comparison with the best recently reported performance towards inertial grade operation, it is expected that the novel architecture further lowers the dominant Brownian (thermo-mechanical) noise level by more than an order of magnitude (down to 0.08º/hr). Moreover, the gyroscope\u27s figure of merit, such as output sensitivity (150 mV/º/s), is expected to be improved by more than two orders of magnitude. This necessarily results in a signal to noise ratio (SNR) which is up to three orders of magnitude higher (up to 1,900mV/ º/hr). Furthermore, the novel concept introduced in this work for building MEMS gyroscopes allows reducing the sense parasitic capacitance by up to an order of magnitude. This in turn reduces the drive mode coupling or quadrature errors in the sensor\u27s output signal. The new approach employs Silicon-on-Insulator (SOI) substrates that allows the realization of large mass (\u3e1.6mg), large sense capacitance (\u3e2.2pF), high quality factors (\u3e21,000), large drive amplitude (~2-4 µm) and low resonance frequency (~3-4 KHz) as well as the consequently suppressed noise floor and reduced support losses for high-performance vacuum operation. Several challenges were encountered during fabrication that required developing high aspect ratio (up to 1:20) etching process for deep trenches (up to 500 µm). Frequency Response measurement platform was built for devices characterization. The measurements were performed at atmospheric pressures causing huge drop of the devices performance. Therefore, various MEMS gyroscope packaging technologies are studied. Wafer Level Packaging (WLP) is selected to encapsulate the fabricated devices under vacuum by utilizing wafer bonding. Through Silicon Via (TSV) technology was developed (as connections) to transfer the electrical signals (of the fabricated devices) outside the cap wafers

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

A Thermally actuated microelectromechanical (MEMS) device for measuring viscosity

A thermally actuated non-cantilever-beam micro-electro-mechanical viscosity sensor is presented. The proposed device is based on thermally induced vibrations of a silicon-based membrane and its damping due to the surrounding fluid. This vibration viscometer device utilizes thermal actuation through an in-situ resistive heater and piezoresistive sensing, both of which utilize CMOS compatible materials leading to an inexpensive and reliable system. Due to the nature of the actuation, thermal analysis was performed utilizing PN diodes embedded in the silicon membrane to monitor its temperature. This analysis determined the minimum heater voltage pulse amplitude and time in order to prevent heat loss to the oil under test that would lead to local viscosity changes. In order to study the natural vibration behavior of the complex multilayer membrane that is needed for the proposed sensor, a designed experiment was carried out. In this experiment, the effects of the material composition of the membrane and the size of the actuation heater were studied in detail with respect to their effects on the natural frequency of vibration. To confirm the validity of these measurements, Finite Element Analysis and white-light interferometry were utilized. Further characterization of the natural frequency of vibration of the membranes was carried out at elevated temperatures to explore the effects of temperature. Complex interactions take place among the different layers that compose the membrane structures. Finally, viscosity measurements were performed and compared to standard calibrated oils as well as to motor oils measured on a commercial cone-and-plate viscometer. The experimentally obtained data is compared to theoretical predictions and an empirically-derived model to predict viscosity from vibration measurements is proposed. Frequency correlation to viscosity was shown to be the best indicator for the range of viscosities tested with lower error (+/- 5%), than that of quality factor (+/- 20%). Further viscosity measurements were taken at elevated temperatures and over long periods of time to explore the device reliability and drift. Finally, further size reduction of the device was explored

Modeling and analysis of a resonant nanosystem

The majority of investigations into nanoelectromechanical resonators focus on a single area of the resonator\u27s function. This focus varies from the development of a model for a beam\u27s vibration, to the modeling of electrostatic forces, to a qualitative explanation of experimentally-obtained currents. Despite these efforts, there remains a gap between these works, and the level of sophistication needed to truly design nanoresonant systems for efficient commercial use. Towards this end, a comprehensive system model for both a nanobeam resonator and its related experimental setup is proposed. Furthermore, a simulation arrangement is suggested as a method for facilitating the study of the system-level behavior of these devices in a variety of cases that could not be easily obtained experimentally or analytically. ^ The dynamics driving the nanoresonator\u27s motion, as well as the electrical interactions influencing the forcing and output of the system, are modeled, experimentally validated, and studied. The model seeks to develop both a simple circuit representation of the nanoresonator, and to create a mathematical system that can be used to predict and interpret the observed behavior. Due to the assumptions used to simplify the model to a point of reasonable comprehension, the model is most accurate for small beam deflections near the first eigenmode of the beam. ^ The process and results of an experimental investigation are documented, and compared with a circuit simulation modeling the full test system. The comparison qualitatively proves the functionality of the model, while a numerical analysis serves to validate the functionality and setup of the circuit simulation. The use of the simulation enables a much broader investigation of both the electrical behavior and the physical device\u27s dynamics. It is used to complement an assessment of the tuning behavior of the system\u27s linear natural frequency by demonstrating the tuning behavior of the full nonlinear response. The simulation is used to demonstrate the difficulties with the contemporary mixing approach to experimental data collection and to complete a variety of case studies investigating the use of the nanoresonator systems in practical applications, such as signal filtering. Many of these case studies would be difficult to complete analytically, but results are quickly achieved through the use of the simulation

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Monolithic Integration Piezoelectric Resonators on CMOS for Radio-Frequency and Sensing Applications

Software cognitive radios and Internet of Things (IoT) are recent interest areas that need low loss and low power consumption hardware. More specifically, the area of software cognitive radios requires that hardware be frequency agile and highly selective. Meanwhile, IoT relies on multiple low power sensor networks. By combining Complementary Metal Oxide Semiconductors (CMOS) technology with piezoelectric Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), we can fabricate Systems-on-Chip (SoC) that can be used as filters or references (oscillators) and highly selective sensors. In this work we developed a die-level compatible process for the monolithic integration of Bulk Acoustic Resonators (BAWs) on CMOS for low power, reduced area and high-quality passives for radio frequency applications. Using CMOS as a fabrication substrate some stringent requirements were added to maintain the dies and the technology’s integrity. A few of these limitations were the need for a low thermal budget fabrication process, die handling and electro-static discharge (ESD) protection. The devices were first fabricated on glass for modeling extraction that was later used for the design of the integrated circuits (IC). Three integrated circuits were designed as substrates for the integration using IBM’s 180nm and TSMC’s 65nm technology. A monolithic BAW oscillator with a resonance frequency of 1.8GHz was demonstrated with an FOM ~186dBc/Hz, comparable to other academia work. Using the developed process, a membrane BAW structure (FBAR) was integrated as well. Using a susceptor coating and zinc oxide’s (ZnO) high temperature coefficient of frequency (TCF) the device was studied as an alternative uncooled infrared sensor. Finally, a reprogrammable IC and an RF PCB were designed for volatile organic compound (VOC) testing using self-assembled monolayers (SAMs) as the absorber layer