Solidly Mounted Resonator gas sensors for harsh environment applications
Authors:   , Carmona Cejas José Manuel 
Published: July 2024

Sensors play a fundamental role in todays society as information gathering elements. Sensors exist for all types of applications, operating in numerous environments. However, developing devices capable of providing reliable detection and transmission of information when operating outside the typical room temperature conditions can be challenging. Thin film bulk acoustic resonators have been widely studied in the last decades as a transducer element for different types of sensors due to their versatility, high sensitivity, low fabrication cost and easy handling. Specifically, in their solidly mounted resonator (SMR) configurations, robustness, and the possibility to design a straightforward fabrication route are added to all the mentioned advantages.

The main objective of this thesis is to design, fabricate and characterize SMR based sensors for gas detection under harsh conditions, such as high and low temperature. To perform these experiments, the design, build, and test of an appropriate experimental setup is necessary. A gas injection system consisting of two characterization chambers, one for high temperature sensors (up to 450 C) and one for low temperature sensors (reaching -40 C) was developed. The experimental setup was subjected to use tests consisting of generating controlled atmospheres of ethanol vapors to characterize its detection with SMRs functionalized with carbon nanotube forests.

The study of the devices included in this thesis was first approached considering the involved materials. For this purpose, different configurations of acoustic reflectors were proposed: four based on dielectric materials (AlN/SiO2, ZnO/SiO2, Ta2O5/SiO2 and HfN/SiO2) and one alternating metallic and dielectric materials (Mo/SiO2). SMRs were manufactured using these configurations to characterize their electrical response and acoustic insulation properties, together with their thermal behavior. Although fully dielectric reflectors show good performance, the devices intended for high temperature applications were manufactured on Mo/SiO2 reflectors as they offer higher thermal stability. Potential electrodes were also studied, with particular emphasis on top electrodes for high temperature applications. To avoid potential oxidation issues, a Mo/Au is proposed, in which a thin Au layer plays the role of passivation layer. Moreover, AlN and Al0.7Sc0.3N were assessed as piezoelectric materials. Despite showing better piezoelectric activity, Al0.7Sc0.3N films lack the necessary thermal stability to be suitable for certain sensor applications or functionalization processes.

The proposed sensors in this thesis can be divided into three main categories depending on the operating temperature:

Room temperature: detection of NO gas molecules was achieved using AlN-based SMRs functionalized with thermally evaporated pentacene layers, with sensitivity of 0.88 kHz/ppm.

Low temperature: using dual mode SMRs, the possibility of discriminating temperature and humidity effects from the response of resonant frequencies was demonstrated, operating in the -20 C to room temperature range.

High temperature: AlN-based SMR sensors functionalized with sputtered WO3 films were designed and characterized. The sensors are able to operate in the 200-350 C range, and show high sensitivity towards NO gas molecules, achieving sensitivities even above 5 kHz/ppm, which leaves open the possibility to detect gas concentrations in the ppb range.

RESUMEN

En la sociedad actual, los sensores juegan un papel fundamental como elementos recopiladores de información. Existen sensores para todo tipo de aplicaciones, operando en ambientes muy diversos. Sin embargo, desarrollar dispositivos capaces de ofrecer detección y transmisión de la información fiables cuando nos alejamos de condiciones de temperatura ambiente supone todo un desafío. Los resonadores acústicos de película delgada han sido estudiados durante los últimos años como elemento transductor para distintas familias de sensores debido a su versatilidad, alta sensibilidad, bajo coste de fabricación y manejabilidad. Más específicamente, en su configuración sobre reflectores acústicos (SMR, solidly mounted resonators), a todas las ventajas mencionadas se suman la robustez y la posibilidad diseñar una ruta de fabricación sencilla.

El principal objetivo de esta tesis es diseñar, fabricar y caracterizar sensores basados en SMRs para aplicaciones de detección de gases en condiciones extremas, como las altas y bajas temperaturas. El otro gran objetivo es diseñar, construir y probar un sistema experimental que permita realizar la caracterización de dichos sensores. Para ello, se ha puesto a punto un sistema de inyección de gases que consta de dos cámaras independientes con entradas de gases reguladas con controladores de flujo para generar atmósferas controladas. La primera cámara se utiliza para la caracterización de los sensores a alta temperatura (hasta 450C), mientras que en la otra se realiza la caracterización a baja temperatura (hasta -40C). El montaje experimental fue sometido a pruebas de uso consistentes en generar atmósferas controladas de vapores de etanol para caracterizar su detección con SMRs funcionalizados con bosques de nanotubos de carbono.

El estudio de los dispositivos ha sido planteado primero desde el punto de vista de los materiales involucrados. Para ello, se han propuesto diferentes configuraciones de reflectores acústicos: cuatro basadas en materiales aislantes (AlN/SiO2, ZnO/SiO2, Ta2O5/SiO2 y HfN/SiO2) y una que alterna un metal y un aislante (Mo/SiO2). Para caracterizarlos, se han fabricado SMRs usando estas configuraciones y se han medido sus respuestas eléctricas, su capacidad de aislamiento acústico y su comportamiento térmico. Aunque los reflectores basados en materiales aislantes ofrecen buen rendimiento, los sensores a alta temperatura se han fabricado sobre reflectores de Mo/SiO2 debido a que ofrecen mayor estabilidad térmica. También se han estudiado los potenciales electrodos, con especial énfasis en el electrodo superior para las aplicaciones a alta temperatura. Para evitar problemas de oxidación, se ha propuesto un electrodo de Mo/Au, en el que una fina capa de Au actúa como capa de pasivación. Por último, se han estudiado dos materiales piezoeléctricos: AlN y Al0.7Sc0.3N. Pese a ofrecer mejor actividad piezoeléctrica, las películas de Al0.7Sc0.3N estudiadas ofrecen mayor inestabilidad al someterlas a altas temperaturas, lo que puede suponer un inconveniente para determinadas aplicaciones o procesos de funcionalización.

Los sensores propuestos en esta tesis se pueden dividir en tres categorías en función de la temperatura a la que operan:

Temperatura ambiente: se ha detectado NO con SMRs basados en AlN funcionalizados con capas de pentaceno evaporado térmicamente, con una sensibilidad de 0.88 kHz/ppm.

Baja temperatura: usando SMRs que presentan dos modos de resonancia, se han discriminado los efectos de la temperatura y la humedad sobre las frecuencias de resonancia, operando entre -20C y temperatura ambiente.

Alta temperatura: se han diseñado y caracterizado sensores basados en SMRs de AlN funcionalizados con capas de WO3 depositadas por pulverización catódica. Estos sensores operan en el rango entre 200 y 350C, y ofrecen gran sensibilidad para detectar NO con valores por encima de 5 kHz/ppm, lo que deja abierta la posibilidad a detectar concentraciones de gas en el rango de las ppb.