This thesis reports on a miniaturized resonant chemical sensor based on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT) developed for portable gas sensor applications. Previously reported CMUT chemical sensors require a DC operating voltage (~ 46 V) higher than the supply voltages of common circuits (e.g. 1.8 ~ 5 V). Thus, additional circuitry such as a charge pump circuit is often required to supply the DC voltage to CMUT when implementing sensor interface circuits, which results in additional power consumption and larger footprint. In this work, the vacuum gap which determines the operating voltage was reduced to 50 nm through double oxidation. By utilizing thermal oxidation to control the gap height, the uniformity of the vacuum gap across the wafer was tightly controlled. In addition, by defining the vacuum cavity through isotropic wet etching, the protrusion during the second thermal oxidation was minimized to ensure successful direct wafer bonding. Through this double oxidation process, not only we achieved a high yield across the 4-inch wafer, but also we achieved a much smaller pull-in voltage (~ 7 V) for a 500-nm-thick CMUT resonant sensor. The CMUT is operated at approximately 80% of the pull-in voltage and thus the same power supply as the ones for discrete opamp circuits can be used to operate the CMUT sensor. Based on the resonant frequency of 7 MHz, the theoretical sensitivity of the fabricated CMUT resonant sensor is 1.74 fg/Hz. In addition, an oscillator circuit was designed and implemented to track the resonant frequency shifts of the CMUT sensor in real time. Lastly, by adding a functionalization layer on the resonant sensor, frequency shifts due to the chemical reaction of volatile organic compounds, such as Toluene, with the functionalization layer were observed. Thus, this work demonstrates the potential of the developed CMUT with low bias voltage as key components for a portable chemical sensor system.
소형 가스 센서는 군사, 헬스케어, 의료기기, 대기환경 측정 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 예를 들어, 폐암 환자의 경우 특정한 물질이 날숨에 섞여 나오게 되는데, 이를 집에서 휴대폰으로 쉽게 측정할 수 있다면 조기에 간단하게 환자가 스스로 폐암을 진단할 수 있을 것이다. 다양한 소형 가스 센서 방식들이 있지만 그 중에서 민감도가 높은 공진 주파수 측정 방식을 사용하였고, 공진 주파수를 이용하여 측정하는 센서의 종류도 다양하지만 Q 인자가 좋아 분해능이 좋은 CMUT을 사용하였다.
기존의 CMUT은 구동 직류 전압이 46 V로 일반적인 회로에 사용되는 5 V 수준으로는 구동하기 힘들다는 문제가 있었다. 그렇기 때문에 기존의 CMUT을 사용하기 위해서는 컨버터와 같은 전압 변환 회로가 필요했다. 이러한 전압 변환 회로는 추가적인 전력 소모와 회로 면적을 필요로 한다.
본 연구에서는 동작 전압이 낮은 CMUT 센서를 개발함과 동시에 Q 인자와 민감도를 일정 수준으로 갖는 CMUT 센서를 구현하고자 하였다. 낮은 동작 전압을 얻기 위해서는 진공 갭을 낮춰야한다. 진공 갭의 공정방식은 희생층을 이용한 방식, LOCOS 방식 등 다양한 방식이 있지만 이 중에서 LOCOS 방식이 가장 많이 사용되어왔다. LOCOS 방식이 사용된 이유는 기존의 CMUT이 높은 전압을 사용하였기 때문에 높은 전압을 견디기 위해서 절연층의 두께가 두꺼워야 했다. 그러나 본 논문에서 제안하는 CMUT은 낮은 전압에서 구동시킬 수 있기 때문에 간편하면서도 웨이퍼 전체에서 균일성을 확보할 수 있는 이중 산화 방식을 사용하였다.
Q 인자와 민감도를 고려하여 50 nm의 갭, 12 um의 멤브레인 반지름, 0.5 um의 멤브레인 두께로 CMUT을 제작 하였다. 제작된 CMUT의 멤브레인 위에 크롬과 금을 각각 약 10 nm와 270 nm를 증착하여 최종적으로 7 V의 구동전압을 갖는 CMUT을 제작하였다. 제작된 CMUT의 공진 주파수는 7.0 ~ 7.4 MHz로 측정되었고, 계산된 민감도는 1.74 ~ 1.64 fg/Hz이다.
제작된 CMUT에 polyethylene oxide(PEO) 폴리머를 코팅하여 센서로서 예비 측정을 해보았다. 총 5가지 가스(수증기, 톨루엔, 아세톤, 메탄올, 에탄올)에 대해서 측정을 진행하였고, 이중에서 수증기에 대해서 민감도 2.076 Hz/ppm으로 가장 민감하게 반응하였다. 또한, 하나의 폴리머로 다양한 가스에 대해서 선택성이 있는 것을 확인하였다.
차기 연구 방향으로는 크롬과 금을 올리지 않고 저저항 실리콘을 멤브레인을 사용하여 민감도를 개선할 예정이다. 이후 2D CMUT 어레이와 2D CMUT 어레이에 맞는 다중 오실레이터를 제작하여 동시에 여러 개의 CMUT 센서를 구동시키는 연구를 진행할 예정이다. 최종적으로 동시에 다양한 물질을 코팅하는 멀티 코팅 방식을 개발하여 한번에 다양한 데이터를 뽑아내고, 이를 패턴 인식 방식으로 선택성을 개선하는 방향으로 연구를 진행할 예정이다.
