Progettazione, processi tecnologici e caratterizzazione di microsistemi e sensori

L’attività di ricerca svolta nell’ambito del corso di dottorato di ricerca in Ingegneria dell’Informazione si è svolta nel settore del Tecnologie e Materiali per l’Elettronica e si è articolata nei seguenti temi: (i) microlavorazione del vetro per lo sviluppo di dispositivi microfluidici integrati ed (ii) applicazione del silicio poroso nel campo dei sensori di gas. L’obbiettivo relativo al primo tema di ricerca è stato lo sviluppo di un processo tecnologico di microlavorazione del vetro volto alla realizzazione di dispositivi microfluidici integrati, noti anche come µTAS (Micro Total Analysis Systems) o LOC (Lab On Chip), in grado di effettuare tutte le funzioni richieste per la maggior parte delle tipologie di analisi in abito bio-medicale. Il processo sviluppato ha trovato come prima applicazione la realizzazione di un sistema per elettroforesi capillare. Il processo di fabbricazione studiato, che richiede solo un passo litografico ed è caratterizzato da un fusion bonding semplice e che non altera l’uniformità e l’integrità dei canali microfluidici, ha consentito di ottenere buoni risultati in termini di definizione della geometria dei canali, ripetibilità e qualità della superficie del vetro. È stata inoltre proposto e sviluppato un nuovo metodo per interfacciare i suddetti dispositivi con gli apparati esterni necessari per l’inserimento degli analiti e la polarizzazione dei dispositivi stessi. La nuova interfaccia proposta, caratterizzata da un processo di fabbricazione semplice ed adattabile a diverse tipologie di dispositivi in vetro, offre il vantaggio di ridurre l’ingombro al di sopra del dispositivo microfluidico facilitando in tal modo, ad esempio, operazioni di lettura ottica in trasmissione o in riflessione. Il secondo tema svolto ha riguardato l’impiego del silicio poroso come elemento attivo nel campo dei sensori di gas allo stato solido. Al fine di sfruttare al meglio le proprietà del silicio poroso è stato proposto di sviluppare sensori di gas basati sulle ben note caratteristiche di dispositivi integrati in silicio, nei quali il silicio poroso svolga solo il ruolo di strato di adsorbimento, in modo da non coinvolgere direttamente le sue proprietà ottiche ed elettriche. Sono state proposte tre tipologie di sensori: un FET con un gate flottante in silicio poroso (APSFET: Adsorption Porous Silicon Field Effect Transistor) (ii) un JFET a canale p (PS-JFET: Porous Silicon JFET) con uno strato di silicio poroso tra i terminali di source e drain e (iii) un giunzione p+n (diodo) circondata da uno strato di silicio poroso (PSS-Diode: Porous Silicon Surrounded–Diode). Alla fase di fabbricazione è succeduta una di caratterizzazione elettrica dei suddetti sensori utilizzando come gas di test alcoli organici ed NO2. Le tre tipologie di sensori (APSFET, PS-JFET e PSS-Diode) realizzati con il nuovo approccio proposto hanno evidenziato una elevata selettività nei confronti dell’NO2, una discreta insensibilità nei confronti dell’umidità, tempi di risposta paragonabili se non minori rispetto ad altri dispositivi presenti in letteratura, la possibilità di funzionare a temperatura ambiente, la potenziale compatibilità con le tecnologie standard del silicio. Inoltre il PS-JFET ed il PSS-Diode hanno la possibilità di variare la loro sensibilità mediante un potenziale di gate per il PS-JFET e la tensione di polarizzazione per il PSS-Diode. Infine è stato realizzato e caratterizzato un prototipo di sistema complesso su un unico chip comprendente sia la sezione di sensing che quella di driving/redaout. Il chip realizzato in tecnologia CMOS con integrati assieme la sezione di sensing e quella di driving/readout ha consentito di dimostrare la compatibilità della tipologia di sensori in silicio poroso proposta con le tecnologie standard del silicio. Come applicazione è stato realizzato un circuito di allarme per l’NO2.