ITMI20090873A1

ITMI20090873A1 - Micro-sensore multiparametrico

Info

Publication number: ITMI20090873A1
Application number: IT000873A
Authority: IT
Inventors: Emanuele Barborini; Massimiliano Decarli; Leandro Lorenzelli; Paolo Milani; Severino Pedrotti
Original assignee: Fond Bruno Kessler 70; Tethis S R L 30
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-11-20

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“Micro-sensore multiparametrico”

DESCRIZIONE

Campo deH'invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un micro-sensore multiparametrico.

Stato della tecnica

Esistono sistemi integrati per la misura di velocità/portata di un flusso d’aria e della sua temperatura, mentre, la misura della concentrazione dello stesso gas è affidata ad un altro chip.

La misura della velocità di un flusso d’aria risulta proporzionale alla portata dello stesso flusso in una condotta a sezione nota, per cui risulta equivalente la misura dell’una o dell’altra grandezza. Tale misura viene condotta con una tecnica di misura calorimetrica denominata anemometria a filo caldo. La temperatura viene misurata tramite una o più termoresistenze, ovvero sensori di temperatura che sfruttano la variazione della resistività di alcuni materiali al variare della temperatura.

Nella tecnica nota, la misura della velocità/portata e della temperatura di un flusso d’aria viene comunemente integrata in su un medesimo substrato. Mentre, la rivelazione della presenza di specie gassose reattive in concentrazione di traccia viene affidata ad un ulteriore sensore.

Il fatto di dover affidare tali operazioni a sensori distinti discende dal fatto che risulta particolarmente complesso integrarli sullo stesso substrato, per cui non sono noti sensori integrati in grado di effettuare tutte le suddette misure.

Il problema tecnico che discende dalla separazione in due o più sensori consiste nel dover effettuare continue e ripetute operazioni di calibrazione per la riduzione di fenomeni indesiderati di deriva termica, proprio perché tali sensori noti sono realizzati su substrati distinti.

Infatti, essendo la temperatura un parametro essenziale per l’accuratezza delle misure ed essendo le misure correlate tra loro, un diverso comportamento di un sensore rispetto all’altro in relazione ad una variazione di temperatura determina una non accuratezza delle misure effettuate.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un micro-sensore multiparametrico atto a risolvere il suddetto problema.

E’ oggetto della presente invenzione un micro-sensore multiparametrico conformemente alla rivendicazione 1.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di fornire un metodo di fabbricazione di un micro-sensore multiparametrico conforme con la rivendicazione 1.

Dunque, è pure oggetto della presente invenzione un metodo di fabbricazione di un micro-sensore multiparametrico conforme alla rivendicazione X.

Le applicazioni di un tale dispositivo possono essere molteplici, quali le misure di controllo, a livello industriale, di gas, le applicazioni in ambito gas-cromatografico, la rivelazione di parametri ambientali relativi all'inquinamento atmosferico, misure di emissione di gas in ambito automobilistico.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un micro-sensore multiparametrico, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui: la Fig. 1a raffigura in pianta un sensore multiparametrico;

la Fig. 1b raffigura un particolare della figura 1a;

la Fig. 1c raffigura un altro particolare della figura 1a;

la Fig. 2 rappresenta una sezione AA della figura precedente;

la Fig. 3 rappresenta un dettaglio della sezione in figura precedente;

le Figg. 4 rappresenta una successione delle fasi di lavorazione occorrenti alla realizzazione del sensore nelle figure precedente, di cui la figura 4e rappresenta una tabella esplicativa dei materiali impiegati nelle figure 4.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Un microsensore multiparametrico, così come mostrato nelle figure 1 e 2, conformemente con la presente invenzione, comprende su un medesimo substrato 10:

- un sensore di velocità/portata 1 , detto anche sensore di flusso 1 ;

- un sensore di temperatura 2;

- un sensore di rivelazione di specie chimiche reattive 3, denominato di seguito sensore di gas 3.

Detto microsensore multiparametrico, oggetto della presente invenzione, comprende un substrato 10 preferibilmente di silicio monocristallino non solo per le sue proprietà elettriche ma anche per la sua adattabilità a processi di attacco chimico anisotropo che permettono la realizzazione di strutture tridimensionali, quali ponticelli, microleve e membrane sospese. Altri materiali possono però essere utilizzati come il quarzo, l’allumina, ecc.

Il sensore di flusso 1 comprende un riscaldatore 11 e due termoresistenze 12 e 12’, realizzate con tecniche fotolitografiche, cioè l’uso di photoresist, e conseguente attacco chimico, e deposizione di film sottili. Il riscaldatore 11 è realizzato mediante una serpentina metallica, preferibilmente di platino, ma possono essere utilizzati altri materiali quali ad esempio il polisilicio.

Così come mostrato nella figura 2, il riscaldatore è parzialmente distribuito su un primo ponticello sospeso 13 ed un secondo ponticello sospeso 13’ di film dielettrico, paralleli tra loro, preferibilmente di ossido di silicio e/o nitruro di silicio che permettono l’isolamento termico del riscaldatore 11 dal substrato di silicio 10. Inoltre, dette porzioni di riscaldatore 11 sono distribuite affacciate l’una rispetto all’altra sui due ponticelli paralleli tra loro. Dove col termine sospeso si sottintende che è sospeso rispetto al substrato 10. Vale la pena evidenziare che le parti in grigio 14 rappresentano degli scavi realizzati nel substrato allo scopo di isolare le parti calde, cioè detto riscaldatore 11 dal restante substrato.

Anche le due termoresistenze 12 e 12' sono serpentine metalliche, l’una realizzata su detto primo ponticello 13, l’altra su detto secondo ponticello 13’. Si preferisce che esse siano in platino, ma possono essere utilizzati altri materiali quali ad esempio polisilicio. I ponticelli sospesi cioè gli scavi 14, sono realizzati tramite attacco chimico anisotropo del silicio, in modo tale da ottenere una rimozione del substrato di alcune decine di micrometri al di sotto dei ponticelli.

Un flusso di gas 5 si divide nella prima porzione 50 che passa sopra ed una seconda porzione 51 che passa sotto i ponticelli, vedi figura 3. Il flusso di gas, fluendo trasversalmente rispetto alla loro estensione viene riscaldato dalla serpentina centrale, cioè il riscaldatore 11, e una differenza di temperatura viene rilevata dalle due termoresistenze 12 e 12’ rispettivamente a monte e valle rispetto al riscaldatore 11 e al flusso del gas 5. La misura della velocità del flusso risulta come diretta conseguenza della differenza di temperatura misurata a monte e a valle del riscaldatore.

I piedini A1 e A2 realizzati sul substrato 10 sono collegati elettricamente con detta seconda termoresistenza 12’, i piedini A3 e A4 sono collegati elettricamente con detta prima termoresistenza 12, mentre i piedini A5 e A6 sono collegati elettricamente con detto riscaldatore 11.

II sensore di temperatura 2 comprende una serpentina metallica 21, preferibilmente in platino, ma possono essere utilizzati altri materiali quali ad esempio polisilicio, realizzata con tecniche fotolitografiche e deposizione di film sottili. I piedini A7 e A12 sono ricavati sul substrato 10 e consentono il collegamento elettrico con detto sensore di temperatura 2.

Quando un flusso di gas 5 è a contatto con la termoresistenza, la sua temperatura modifica la resistività e quindi il valore di resistenza della serpentina. Una lettura del valore di resistenza può quindi essere correlato alla temperatura del gas.

Il sensore di gas 3 è realizzato con le stesse tecnologie di realizzazione del sensore di flusso, accoppiate alla deposizione di un film di ossido nanostrutturato 34. In particolare, il sensore di gas 3 comprende un ponticello 31 sospeso rispetto al substrato 10 in materiale dielettrico, preferibilmente di ossido di silicio e/o nitruro di silicio, realizzato tramite attacco chimico anisotropo del silicio, in modo tale da ottenere una rimozione del substrato di alcune decine di micrometri al di sotto del ponticello. Al di sopra del ponticello 31 vi è un riscaldatore 32 accessibile dai piedini A8 e A10 e due elettrodi interdigitati 33 e 33’ accessibili dai piedini A9 e A1 1 e realizzati in modo da essere accostati al riscaldatore 32 senza toccarsi tra loro e col riscaldatore. Infatti, una sorta di continuità elettrica tra detti elettrodi interdigitati è realizzata attraverso un film di ossido nanostrutturato 34 di cui l'intero ponticello 31 è ricoperto. Detti elettrodi interdigitati 33 e 33' sono preferibilmente realizzati con tecniche fotolitografiche.

Detto deposito di film 34 viene preferibilmente realizzato mediante un fascio supersonico di nanoparticelle generato ad esempio da una sorgente a microplasma pulsato, indicata generalmente con l’acronimo PMCS dall'espressione anglosassone pulsed microplasma cluster source.

Il film di ossido nanostruttrato rappresenta la parte sensibile del sensore di gas 3, così come illustrato di seguito.

Gli ossidi nanostrutturati di interesse per la rivelazione di sostanze chimiche e sintetizzabili mediante PMCS possono essere diversi, di cui, per esempio Sn02, W03, Fe203, ZnO, PdOx, NbOx, MoOx, etc..

L'uso di un fascio supersonico di nanoparticelle, non produce alcun surriscaldamento né alcuna sollecitazione meccanica dei substrati, risultando dunque perfettamente compatibile con la deposizione su strutture microlavorate a temperatura ambiente.

Impiegando il metodo di deposizione di film sottili di materiale nanostrutturato sul substrato lavorato descritto nel brevetto italiano n. MI2007A002392, si dispone una maschera rigida traforata in punti specifici e si impiega un fascio supersonico di nanoparticelle in modo da consentire:

- la deposizione del materiale attivo nelle sole zone della piattaforma microlavorata dedicate al sensing chimico, evitando ogni contaminazione delle zone dedicate alle misure di velocità/portata e di temperatura;

- di evitare i metodi foto-litografici preservando la purezza dei film sensibili nanostrutturati dedicati al sensing chimico;

- di effettuare deposizioni in parallelo (batch) di un grande numero di dispositivi contemporaneamente.

La rivelazione della presenza di specie chimiche reattive ha luogo misurando la resistenza elettrica del film sottile 34 di ossido nanostrutturato, contattato elettricamente mediante i due elettrodi interdigitati 33 e 33’. Il riscaldatore è necessario per portare la temperatura di lavoro dell'ossido nanostrutturato a valori dell'ordine di 300-350°C, in corrispondenza dei quali si verificano reazioni chimiche di superficie, dovute alla natura dell’atmosfera in cui è immerso il sensore 3, responsabili della variazione della resistenza elettrica del film 34 e misurabile ai piedini A9 e A11 dei due elettrodi interdigitati 33 e 33’. Un siffatto sensore, dunque, si dice essere di tipo conduttimetrico o chemoresistivo.

La presenza di sostanze chimiche reattive è rivelata, dunque, attraverso la variazione della resistenza elettrica di un film di ossido nanostrutturato mantenuto ad alta temperatura in aria. Esempi di sostanze chimiche rivelabili sono: idrogeno, N02, CO, ammoniaca, etilene, etanolo, metanolo, ecc.

Vantaggiosamente, un dispositivo integrato, conforme con la presente invenzione, consente di:

- misurare la velocità di un flusso d'aria e/o la portata della condotta d'aria di sezione nota;

- misurare la temperatura del flusso d’aria;

- rivelare la presenza nel flusso d’aria di generiche sostanze chimiche reattive, o di misurare la concentrazione di specie chimiche note

senza però soffrire il problema della deriva termica, in quanto detto sensore di temperatura 2 è direttamente ricavato sul substrato 10, per cui porta in conto le variazioni di temperatura dello stesso compensandole. Grazie a ciò, il dispositivo oggetto della presente invenzione risulta assolutamente stabile e affidabile dal punto di vista termico, poiché l’integrazione delle diverse tipologie di sensori sullo stesso chip, consente una compensazione intrinseca degli effetti della temperatura, per cui le procedure di calibrazione per la riduzione di fenomeni indesiderati di deriva termica nel tempo non sono più necessarie.

Il metodo di fabbricazione del presente trovato impiega un processo di microfabbricazione basato su bulk micromachining combinato con le caratteristiche di collimazione dei fasci supersonici di nanoparticelle per creare pattern ordinati di ossidi nanostrutturati in corrispondenza di pre-esistenti microlavorazioni, come ad esempio metallizzazioni interdigitate, mediante un sistema a maschera rigida.

Si rende, dunque possibile realizzare dispositivi integrati miniaturizzati con caratteristiche multisensoriali e con una metodologia di produzione di massa.

Oltre alla possibilità di eseguire misure multi-parametriche, l'integrazione su uno stesso chip delle tre differenti tipologie di sensori proposte ha il vantaggio di consentire l’esecuzione di tali misure in modo estremamente localizzato, e, di conseguenza, di ottenere, tramite l’uso di un numero elevato di dispositivi, mappe di misura spazialmente dettagliate.

Con riferimento alle figure 4, su un substrato di 10 di silicio monocristallino oppure quarzo o allumina viene dapprima depositato un film dielettrico 20, preferibilmente ossido di silicio e/o nitruro di silicio, dopo di che vengono realizzate le parti conduttive 30, cioè le termoresistenze 32, 33, 33’, 12 e 12’, e i contatti A1....A12, con metalli come platino oppure col polisilicio, attraverso tecniche fotolitografiche. A questo punto i ponticelli e le parti sospese vengono realizzate a mezzo di attacco chimico anisotropo del silicio, in modo tale da ottenere una rimozione del substrato di alcune decine di micrometri e quindi viene depositato un film sottile 34 di ossidi nanostrutturati a mezzo di un fascio supersonico di nanoparticelle generato ad esempio da una sorgente a microplasma pulsato PMCS.

Sono chiari i vantaggi derivanti dall'applicazione della presente invenzione:

- oltre alla possibilità di eseguire misure multi-parametriche, l’integrazione su uno stesso chip delle tre differenti tipologie di sensori proposte ha il vantaggio di consentire l’esecuzione di tali misure in modo estremamente localizzato, cioè su un medesimo campione di aria e, di conseguenza, di ottenere, tramite l’uso di un numero elevato di dispositivi conformi con la presente invenzione, mappe di misura spazialmente dettagliate;

- inoltre l’integrazione delle diverse tipologie di sensori sullo stesso chip conferisce una maggiore stabilità termica rispetto ai sistemi modulari, che tipicamente richiedono procedure di calibrazione per la riduzione di fenomeni indesiderati di deriva termica nel tempo.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinate senza peraltro uscire daH’ambito di protezione della presente domanda.

(FIU/as)

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Micro-sensore multiparametrico comprendente su un medesimo substrato (10): - un primo sensore di velocità/portata (1), - un secondo sensore di temperatura (2), - un terzo sensore di rivelazione di specie chimiche reattive (3), in modo che misure ricavate da detti sensori risultano insensibili a variazioni di temperatura del substrato (10).
2. Micro-sensore secondo la rivendicazione 1, in cui detto terzo sensore di rilevazione di specie chimiche reattive (3), comprende un primo ponticello (31) di materiale dielettrico sospeso rispetto a detto substrato (10), su detto primo ponticello essendo attaccato un riscaldatore (32) ed una coppia di elettrodi (33 e 33’) accostati al riscaldatore (32), essendo il ponticello ricoperto da un film di ossido nanostrutturato (34) atto a variare la propria conducibilità in relazione alle specie chimiche con cui entra in contatto.
3. Micro-sensore secondo la rivendicazione 2, in cui detto riscaldatore (32) è in platino oppure polisilicio e/o detto film di ossido nanostrutturato (34) è in materiale sintetizzabile mediante PMCS quali Sn02 e/o W03 e/o Fe203 e/o ZnO e/o PdOx e/o NbOx e/o MoOx.
4. Micro-sensore secondo le rivendicazioni precedenti, in cui detto primo sensore di velocità/portata (1) comprende un secondo ponticello (13) ed un terzo ponticello (13’) sospesi rispetto a detto substrato (10) e paralleli tra loro; essendo attaccato su detto secondo ponticello (13) una prima termoresistenza (12) e una porzione di un riscaldatore (11); essendo attaccati su detto terzo ponticello (13’) una seconda termoresistenza (12’) ed un’altra porzione di detto riscaldatore (11).
5. Micro-sensore secondo la rivendicazione 4, in cui dette porzioni di riscaldatore (11) sono affacciate, l’una rispetto all’altra, su detti ponticelli paralleli tra loro.
6. Micro-sensore secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detti secondo (13) e terzo ponticello (13’) sono in materiale dielettrico quale di ossido di silicio e/o nitruro di silicio.
7. Micro-sensore secondo una rivendicazione da 4 a 6, in cui detto riscaldatore (11) e dette termoresistenze (12 e 12’) sono in materiale metallico quale platino o polisilicio.
8. Micro-sensore secondo le rivendicazioni precedenti, in cui detto secondo sensore di temperatura (2) comprende una serpentina metallica (21) direttamente attaccata sul substrato (10).
9. Micro-sensore secondo la rivendicazione 8, in cui detto materiale metallico è platino oppure polisilicio.
10. Metodo di realizzazione di un micro-sensore multiparametrico comprendente i seguenti passi: - prima deposizione di un primo film dielettrico (20), - realizzazione delle parti conduttive (30), - attacco chimico anisotropo del substrato (10) in modo da realizzare ponticelli sospesi (13 e 31) in corrispondenza di almeno alcune di dette parti conduttive, così che queste risultano attaccate su detti ponticelli sospesi, - seconda deposizione di un secondo film sottile (34) di ossidi nanostrutturati atto a formare uno strato di materiale sensibile a specie chimiche, cooperante con alcune di dette parti conduttive (32, 33 e 33’).
11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui detto primo film dielettrico è ossido di silicio e/o nitruro di silicio e/o detto secondo film di ossido nanostrutturato (34) è in materiale sintetizzabile mediante PMCS quali Sn02 e/o W03 e/o Fe203 e/o ZnO e/o PdOx e/o NbOx e/o MoOx.
12. Metodo secondo una delle rivendicazioni 10 o 11, in cui detta seconda deposizione è realizzata mediante un fascio supersonico di nanoparticelle.
13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta seconda deposizione comprende l’impiego di una maschera rigida opportunamente traforata e/o l’impiego di una sorgente di nanoparticelle a microplasma pulsato PMCS.