New thermally driven (TD) TFBAR based microchemical sensor has been proposed to apply for a VOC monitoring system. The high frequency sensing scheme with low frequency read-out is achieved by mixing the sensing signal with the reference signal which is generated from the thermally elevated hot membrane based TFBAR. The fabricated sensor shows higher sensitivity than that of the previous technology based sensors like QCM, SAW, and cantilever.
First, The bulk-micromachined AlN based TFBARs have been designed and fabricated. The highly (002) textured AlN thin films with low stress have a Rocking curve of 1.8˚, a surface roughness of 8 nm, and a columnar grain width of about 24 nm. The TFBARs have been successfully fabricated using the Si (100) bulk micromachining technology. The full two port measured results of S11 and S21 are well explained by the modified Butterworth Van Dyke equivalent circuit model. The range of resonant frequency is 1.7 GHz to 1.9 GHz. The ranges of bandwidth and Q factors are 50~70 MHz and 700 ~ 1500, respectively.
Next, we have proposed and fabricated the TD TFBAR VCO which has the TD TFBAR with a microheater element as a resonator. The negative resistance for the oscillating circuit is achieved by using the capacitive feedback circuit scheme called as Colpitts type oscillator. A transistor, resistors for bias, capacitors with small capacitance, and an inductor with small inductance are implemented on an InGaP HBT MMIC. The bulk micromachined TD TFBAR with 20 μm width of microheating line is successfully fabricated. The membrane temperature is calculated using the temperature coefficient of resistance (TCR) of Mo heating line. The measured TCR of Mo is 0.237%/℃, and the temperature of a membrane in the condition of 2.5 V of Vheater is about 260℃. The area and the Q factor of the TFBAR are 200 × 200μ㎡ and 1400, respectively. The TD TFBAR VCO shows the output power of 6.5 dBm and the phase noise of -109 dBc/Hz at an off-set frequency of 1 MHz.
Finally, we have proposed and fabricated the original VOC microchemical sensor using the piezoelectric AlN based TD TFBAR oscillators. The additional mass effect is confirmed by measuring the frequency shifts of a TFBAR due to the bottom side etching of $Si_3N_4$ membrane. The mass sensitivity of this confirmation is 300 Hz/(ng/㎠), which is three order greater than that of the previously reported SAW sensor. A TD TFBAR VCO is used as a reference oscillator in which the thermally elevated hot membrane obstructs the mass adsorption. The RF signal mixer is used for the frequency lowering component. The measured oscillation frequency of a mixed signal is 2.01 MHz. In this study, three kinds of VOCs are characterized by a TFBAR based VOC sensor. Considering the required time for the finally stabilized VOC concentration, the response time is believed to be short enough to apply for the VOC sensor system. The measured frequency shifts shows linear proportion to the VOC concentrations. The measured sensitivity for ethanol, benzene, and formaldehyde are 84 Hz/ppm, 2500 Hz/ppm, and 5067 Hz/ppm, respectively.
본 연구에서는 새집 증후군 원인 가스인 VOC 가스를 감지할 목적으로 열적으로 구동되는 TFBAR로 구성된 마이크로 화학 센서를 제안하고 제작하였다. 이 화학센서는 1-5 GHz 범위의 고주파에서 감지하지만 저주파에서 신호처리를 할 수 있도록 감지 신호와 참조신호를 혼합하여 만들어진 저주파 신호로 처리하도록 제작되었다. 이 때 TFBAR의 멤브레인 온도를 높여서 VOC 입자들이 쉽게 흡착하지 못하도록 한 열적 구동형의 TFBAR을 공진기로 사용하여 발진기를 구성하고 이 발진기가 발생시킨 신호를 참조신호로 사용하였다. 이렇게 제작된 센서의 감도는 기존에 보고된 기술 즉 QCM, SAW, 그리고 캔티레버를 사용하였을 때 보다 높은 것을 확인하였다.
우선 본 센서의 구동 소자인 TFBAR은 AlN 을 기반으로 한 기전물질을 사용하였고 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 설계하고 제작하였다. 다결정 박막인 AlN은 (002) 방향으로 배향성이 뛰어날 뿐 아니라 막 간 스트레스가 매우 작은 박막을 개발 하였다. 이 박막의 Rocking 커브는 1.8˚ 이었고, 표면 거칠기는 8 nm 이었으며, columnar 구조의 입계 (grain) 폭은 약 24 nm 이었다. 제작된 TFBAR은 full 2 port 측정을 실시하였으며, 측정된 S11과 S21은 MBVD 모델로 잘 설명되는 것을 확인하였다. 측정된 공진 주파수의 범위는 1.7-1.9 GHz 이었고, 직렬 공진과 병렬 공진 간의 밴드 범위는 50 - 70 MHz 이었으며, 공진기의 Q 값은 700 - 1500 이었다.
다음으로 마이크로 히터로 구성된 열적 구동 TFBAR을 이용하여 열적 구동 TFBAR 기반 VCO를 제안하고 제작하였다. 이 때 발진을 위한 마이너스 저항은 축전기로 구성된 피드백 회로를 기반으로 하였으며, 이러한 방식의 발진기를 Colpitts 방식이라 한다. 구성 발진 회로 중 트랜지스터와 바이어스 저항들과 구현 가능한 값의 축전기와 인덕터들은 InGaP HBT MMIC 속에 구현하였다. 20 μm 폭을 갖는 마이크로 히터로 구성된 열적 구동 TFBAR의 멤브레인 온도는 구성 전극 물질인 Mo의 TCR 값을 측정하여 계산하였다. 이 때 Mo의 TCR은 0.237%/℃ 이었으며, 멤브레인 온도는 2.5 V전압에서 260℃정도 임을 확인하였다. 제작된 열적 구동 TFBAR 기반 발진기의 특성은 출력이 6.5 dBm 이었고 위상 잡음이 1MHz 오프?V 주파수에서 -109 dBc/Hz이었다.
마지막으로, AlN을 기전 물질로 한 TFBAR를 이용하여 세계 최초로 VOC감지용 마이크로 화학센서를 제안하였으며 제작하였다. 이 때 질량 감지 효과의 검증은 TFBAR의 $Si_3N_4$ 멤브레인 하부를 건식 식각함으로써 확인할 수 있었으며, 이 때 질량 감지 감지도는 300 Hz/(ng/㎠) 이었다. 이 값은 기존에 보고된 SAW 의 경우보다 1000 배 이상 우수한 결과이다. 참조 발진기로는 열적 구동 TFBAR VCO를 사용되었는데, 이것은 열적 구동 방식을 통해 멤브레인 온도를 200℃ 이상으로 유지함으로써 VOC의 멤브레인 상 흡착을 막아 주어 VOC의 흡착이 없는 참조용으로 사용하였다. 본 연구에서는 3 가지 VOC 가스들에 대한 특성을 측정하였다. 먼저, 센서의 감응 속도는 측정 챔버 상의 VOC 가스의 안정화 시간을 고려해 볼 때 충분히 빠른 것으로 판단되며, 가스의 농도에 따른 주파수 편이 특성은 매우 선형적인 특성을 보여 주었다. VOC에 따라 측정된 감도는 에탄올의 경우 84 Hz/ppm이었고, 벤젠의 경우 2500 Hz/ppm 이었으며, 포름알데히드의 경우 5067 Hz/ppm 이었다.
