Studio e realizzazione di micro-dispositivi elettro-acustici a film sottile e loro applicazione nel campo dei sensori chimici di nuova generazione

In this work is proposed the use of bulk acoustic wave resonator as microbalance chemical sensor, working at GHz frequency range and fabricated by thin films technologies. These devices are called thin film bulk acoustic wave resonator (TFBAR). The approach allows to obtain miniaturized and integrable devices with good performances and low manufacturing costs. The used piezoelectric film is Aluminium Nitride (AlN), chosen for the good acoustic properties and technological process compatibility. In first section will be shown physical principles which control acoustic propagation, giving particular relevance to piezoelectric propagation medium. Therefore, the description of resonant structures, will be oriented to obtain Mason’s equivalent circuit and ButterworthVan Dike (BVD) model, which will be use to perform software simulations. With a Matlab routine, electrical impedance and admittance of the devices has been estimated, so resonant frequencies and relations between materials thicknesses are calculated. Moreover finite element method simulation (FEM) has been performed. This method opened the opportunity to investigate some peculiar parameters of TFBAR devices, approaching real behaviour, estimating properly mechanical losses. Successively, problems and motivations about choice of suggested device configuration will be shown, investigating different interesting case. Follows an accurate description of problems and single fabrication steps, with particular detail to highly oriented piezoelectric material growth. In the last section, after a brief discussion about chemical adsorbment process, will be shown how these electro-acoustic devices fabricated became gas and vapour sensors (H2, CO, Ethanol etc.), using chemical interactive material (CIM) as Palladium, Metalloporphyrins and Carbon nano-tube. Measurements of obtained results and calibration curves are reported. Finally is suggested a new project for the fabrication of this type of devices, based on surface micromachining technique. This technique allows simplification of technological steps and optimization of fabrication times, improving performances and operation frequencies.

In questo lavoro si propone l'impiego di risonatori ad onde acustiche di volume per la realizzazione di sensori chimici a microbilancia, operanti a frequenze dell’ordine dei GHz, realizzati con le tecnologie dei film sottili; questo tipo di dispositivi sono detti risonatori ad onde acustiche di volume a film sottile (TFBAR - thin film bulk acoustic wave resonator). Questo approccio permette di ottenere dispositivi miniaturizzati, integrabili, con buone prestazioni ed a basso costo. Il film piezoelettrico utilizzato è il Nitruro di Alluminio (AlN), scelto per le sue buone caratteristiche acustiche ed l’ ottima compatibilità con i processi tecnologici. In una prima parte vengono esposti i principi fisici che sono alla base del fenomeno della propagazione acustica, dando particolare spazio ai mezzi di propagazione con caratteristiche piezoelettriche. Si arriva infine alla descrizione delle strutture risonanti mediante il circuito equivalente di Mason ed il modello di ButterworthVan Dike (BVD). In relazione a questo si andrà ad utilizzare il circuito equivalente, per poter effettuare le simulazioni del comportamento del dispositivo, analizzando diversi casi di interesse. Tramite l’utilizzo di una routine in Matlab sono stati ottenuti gli andamenti dell'impedenza e dell’ammettenza elettrica equivalente del dispositivo, e quindi le frequenze di risonanza e le relazioni che le legano allo spessore dei diversi materiali. Oltre a questo tipo di simulazione sono state effettuate ulteriori analisi tramite il metodo degli elementi finiti (FEM), che ha dato la possibilità di aprire la strada ad un’indagine più approfondita dei parametri che caratterizzano i dispositivi studiati, approssimando sempre più il comportamento reale del dispositivo, cercando di valutare adeguatamente le perdite meccaniche. Successivamente vengono esposte le problematiche e le motivazioni che hanno portato alla scelta della configurazione del dispositivo proposto, la quale sarà descritta in dettaglio insieme ai vantaggi che hanno condizionato tale scelta. Segue una descrizione accurata delle problematiche affrontate e delle singole fasi del processo di fabbricazione, con particolare attenzione alla crescita del materiale piezoelettrico, con un elevato grado di orientazione cristallina. Nell’ultima parte, dopo una breve trattazione del meccanismo dell’adsorbimento chimico, vengono illustrate le modalità con cui i dispositivi elettro-acustici fabbricati sono stati trasformati in sensori di gas e vapori (H2, CO, Etanolo ecc.), utilizzando interfacce chimicamente interattive (chemical interactive material - CIM) come Palladio, Metallo-porfirine e Nanotubi di Carbonio. Sono dunque riportate le misure effettuate, i risultati ottenuti e le curve di calibrazione calcolate per i sensori realizzati. Infine viene proposto un nuovo progetto per la realizzazione di questo tipo di dispositivi, che si avvale di una tecnica superficiale (surface micromachining) che permette di semplificare alcuni passaggi tecnologici, ottimizzare i tempi di realizzazione, migliorare le prestazioni aumentando, inoltre, anche le frequenze di funzionamento.