Integration of nanomechanical sensors on CMOS by nanopatterning methods

par Julien Arcamone

Thèse de doctorat en Nanotechnologie, Microélectronique

Sous la direction de Georges Brémond et de Francesc Pérez-Murano.

Soutenue en 2007

à Villeurbanne, INSA en cotutelle avec l'Universitat autònoma de Barcelona .

  • Titre traduit

    Intégration de capteurs nanomécaniques sur CMOS par méthodes émergentes de nanolithographie


  • Résumé

    Cette thèse a fait l’objet d’une co-tutelle entre le Dr. F. Pérez-Murano du CNM-CSIC de Barcelone (Espagne) et le Pr. G. Brémond de l’INSA Lyon/INL-CNRS. Ce travail comporte deux aspects principaux: l’un porte sur la conception et l’actionnement d’un dispositif nanomécanique intégré sur CMOS, et l’autre sur des techniques de nanofabrication. Un résonateur nanomécanique de silicium a été modélisé et conçu, puis les avantages et la faisabilité d’une intégration monolithique avec circuiterie CMOS ont été étudiés. Les NEMS/CMOS sont en effet des systèmes prometteurs qui combinent des propriétés de transduction extraordinaires, grâce à la partie mécanique mobile, avec la possibilité de détecter électriquement le signal de sortie dans des conditions améliorées puisque les capacités parasites de sortie sont drastiquement réduites. Le signal capacitif de résonance peut ainsi être collecté, amplifié et conditionné sur chip au travers d’un circuit CMOS. Ces dispositifs ont ensuite été fabriqués en combinant une technologie CMOS standard avec des méthodes émergentes de nanolithographie, en particulier avec la lithographie nanostencil dont il a fallu optimiser les conditions d’application et la résolution. Le bon fonctionnement des dispositifs NEMS/CMOS ainsi fabriqués a pu être démontré en caractérisant dans l’air et le vide la réponse fréquentielle des nanostructures résonantes au travers d’un circuit CMOS spécifiquement conçu pour la détection. Finalement, ces résonateurs ont été implémentés comme capteurs de masse ultra-sensibles dans quatre applications distinctes: par la même l’extrême versatilité et les hautes performances de ces capteurs ont été démontrées.


  • Résumé

    This thesis has been a co-direction between Dr. F. Pérez-Murano from CNM-CSIC, Barcelona (Spain) and Pr. G. Brémond from INSA Lyon/INL-CNRS. This work involves two main aspects: one has to see with the modeling, the design and the operation of a nanomechanical device integrated on CMOS, and the other on nanofabrication techniques. A silicon nanomechanical resonator has been modeled and designed, then the advantages and the feasibility of a monolithic integration with CMOS circuitry have been studied. Indeed NEMS/CMOS are very promising systems which combine outstanding sensing attributes, thanks to the mobile mechanical part, with the possibility to electrically detect the output signal in enhanced conditions since output parasitic capacitances are drastically reduced. In this way, the capacitive resonance signal can be collected, amplified and conditioned on-chip through a CMOS circuit. The devices have been fabricated combining a standard CMOS technology with emerging nanopatterning techniques, in particular with nanostencil lithography, of which the resolution and the conditions of applications have been optimized. The successful operation of such NEMS/CMOS has been demonstrated by characterizing in air and in vacuum the frequency response of the resonant nanostructures through a CMOS circuit specifically designed for detection purposes. Finally, these resonators have been implemented as ultra-sensitive mass sensors in four different applications: in this way the extreme versatility and the high performance of such sensors has been demonstrated.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (259 p.)
  • Annexes : Bibliogr. à la fin de chaque chapitre. Glossaire

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3327)
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