1
Introduzione
I rivelatori di molecole chimiche, negli ultimi anni, hanno avuto un grande sviluppo, trovando largo impiego in svariati campi, tra cui uno importante è quello medico/biologico per analisi di DNA (DesoxyriboNucleic Acid – acido desossiribonucleico). Le tecniche d’analisi genetiche attualmente in uso prevedono rivelazioni di tipo elettrochimico oppure ottico; sarebbe pertanto di più pratico utilizzo un sensore di DNA con segnale d’uscita elettrico. Visto che al giorno d’oggi la tecnologia dominante per la realizzazione di circuiti elettronici integrati è la CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), è interessante porre l’attenzione sui sensori CMOS-compatibili. I loro vantaggi risiedono, infatti, nella possibilità d’integrare numerosi sensori sullo stesso chip, tutti provvisti dell’elettronica d’elaborazione, in modo da rivelare contemporaneamente diverse molecole chimiche (multianalisi) A tale categoria appartengono, ad esempio, i cosiddetti ChemFET (Chemical Field Effect Transistor), ma negli ultimi anni anche i MEMS (MicroElectroMechanical System) sono stati proposti come sensori chimici a rivelazione gravimetrica.
Lo scopo di questo lavoro di tesi, alla luce di quanto precedentemente
esposto, è la realizzazione e caratterizzazione di MEMS, quali
microbilance risonanti in modalità torsionale, compatibili con la tecnologia
CMOS. Il loro punto di forza risiede nel segnale d’uscita fornito, che è di
tipo elettrico, e pertanto direttamente elaborabile con un sistema
elettronico. Il funzionamento è basato su un meccanismo d’attuazione
magnetica in risonanza, applicando un momento torsionale creato da una
coppia di forze di Lorentz. Similmente, il meccanismo di sensing si basa
Introduzione
2 sulla f.e.m. indotta 1 nella spira d’uscita a causa delle oscillazioni della
stessa nel medesimo campo magnetico utilizzato per l’attuazione. E’
questo un fatto innovativo, poiché in letteratura sono attualmente presenti pochi esempi di MEMS per i quali attuazione e rivelazione sono entrambe di tipo magnetico. La sensitività dei risonatori realizzati si basa sullo spostamento della frequenza di risonanza, che è collegato alla variazione del momento d’inerzia della loro struttura, non appena essa adsorbe il DNA cercato.
Per quanto riguarda la struttura del lavoro, il primo capitolo di questa tesi propone una rassegna relativa ai sensori chimici CMOS-compatibili, compresi, ovviamente, i MEMS. E’ fatto dunque riferimento agli esempi presenti in letteratura, per delineare l’odierno punto della ricerca su tali rivelatori e delle tecnologie utilizzate per la loro realizzazione. Non era possibile tuttavia negare uno sguardo ai sensori di tipo QCM (Quartz Crystal Microbalance), ovverosia le microbilance realizzate con cristalli di quarzo. Sono essi, infatti, la categoria di sensori microgravimetrici attualmente dominante grazie alle loro ottime prestazioni, malgrado non sia possibile realizzarli in tecnologia CMOS standard.
Il secondo capitolo tratta invece la descrizione dei microsistemi oggetto di questo lavoro. E’ inizialmente illustrato il processo con cui sono stati lavorati i “wafer” (fette) di silicio da STMicroelectronics per preformare la struttura dei risonatori, che è stata successivamente liberata con il post- processing. Sarà dunque presentato il design delle microbilance, completo di una breve analisi teorica e simulata al calcolatore delle loro caratteristiche fisiche principali, quali la frequenza di risonanza. Segue poi la descrizione dettagliata dei passi del post-processing realizzati in laboratorio, includendo anche i problemi riscontrati e come essi sono stati risolti.
Il capitolo numero tre illustra infine le misure effettuate sui MEMS realizzati. Le prime prove sono state di tipo ottico, mediante l’ausilio di un laser e del principio della leva ottica. Il loro scopo è stato avere una prima
1
