MEMS ile entegre mikro ısıtıcı ve IDE mikro sistemlerin fabrikasyonu ve nano kompozit yarı iletken gaz sensör uygulaması

Abstract

Günümüzde Mikro Elektro Mekanik Sistemler (MEMS) teknolojisi ile mikro ısıtıcı sistemlerin inter dijital elektrotlar (IDE) ile entegrasyonunun geliştirilmesine yönelik ihtiyaç gün be gün artmaktadır. MEMS teknolojisi, mikroskopik ölçekte mekanik ve elektronik bileşenlerin entegrasyonunu içerir. Mikrosistem mühendisliği, elektronik, kimya, biyoloji ve fizik gibi birçok farklı disiplini birleştirir. Bu entegrasyon, daha karmaşık sistemlerin ve uygulamaların geliştirilmesini mümkün kılar. Örneğin, kimyasal algılama için kullanılan sensörler, biyolojik materyallerle birleştirilerek hastalık tespitinde kullanılabilir. Bu tür çok disiplinli çalışmalar, araştırma ve geliştirme süreçlerini zenginleştirir ve bilim ile mühendislik arasındaki sınırları aşarak yenilikçi çözümler üretir. Bu teknoloji, yüksek hassasiyet ve düşük maliyet avantajları ile öne çıkarak, biyomedikal uygulamalar, tüketici elektroniği gibi bir çok alanda kullanılmaktadır. MEMS teknolojisinde kullanılan gaz sensörleri, endüstriyel süreçlerin kontrolü, hava kalitesinin izlenmesi, çevresel güvenlik ve tıbbi teshişler için hayati öneme sahip alanlarda kritik rolller üstlenmektedir. Özellikle, endüstriyel ve çevresel uygulamalarda zararlı gazların tespit edilmesi, halk sağlığı ve güvenliği açısından büyük öneme sahiptir. Bu nedenle, düşük maliyetli, yüksek duyarlılık ve hızlı yanıt süresine sahip gaz sensörlerine duyulan ihtiyaç büyüktür. Bu sensörler biyomedikal uygulamalarda, solunum yolu hastalılarının teşhisinde öneme sahip uçucu organik biyo belirteçlerin (VOC) tespitiden kanser tipine kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu çalışmada tek bir silikon yonganın üzerine ince film biriktirme yöntemlerinde kullanılan; çok katlı foto-litografi, PVD (e-beam), PECVD, elektrokimyasal yöntemler, üst üste entegrasyon, ICP-RIE kuru aşındırma, metalizasyon gibi yöntemler kullanılarak bir çok uygulama alanında kullanılabilir platformlar üretilmiştir. Üretilen platformun çalışıp çalışmadığının kontrolü için gaz sensör uygulaması seçilmiştir. İlgili malzemelerin sentez, katkılama ve platform üzerine kaplanması için hidro termal ve damlatma metodları ile gaz sensörleri üretimi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda 2.2 mm en ve 4.8 mm boy oranlarına sahip, 300 µm Si-yonga üzerine çok katlı (2 µm SiO2 / 30 nm Ti / 30 nm Au / 600 nm Pt ) mikro ısıtıcı sistemleler üretilerek, 1 dakikada max 417℃ sıcaklığa yükselen platin mikro ısıtıcılar üretilmiştir. Platin mikro ısıtıcıların sıcaklık karakterizasyonları için hem kendi oluşturduğumuz devre hem de termal kamera ile ölçümler yapılmıştır. Ölçüm sonuçlarından, sıcaklık değişimine karşı direnç değişim grafiğinden platin metali için α sabiti 0.00345 ℃-1 olarak hesaplanmıştır. Üst üste biriktirme teknolojisi sayesinde 250 nm kalınlığında Si3N4 pasivasyon malzemesi kullanılarak ve üretilen mikro ısıtıcıların 200℃ ve 400℃ de 2 saat tavlama işlemi gerçekleştirilmiştir. Çok katmanlı xxvi (100 nm Ti / 100 nm Au) IDE'lerin üretimi ve Si3N4 ara katman üzerine entegrasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu platform için 4 çıkışlı 2 si mikro ısıtıcı, 2 si IDE sistem çıkışlı bakır PCB'ler üzerine ilk olarak mikro ısıtıcı sistemlerin ısı kaybını önlemek için 2 mm en ve 2 mm boya sahip 300 µm kalınlığında Si-yonga (wafer) takoz kesimi gerçekleştirilip üst üste yapıştırılmıştır, ardından tel bağlama (wire bonder) tekniği ile 25 µm Au teller ile bond işlemleri gerçekleştirilmişitir. Gaz sensör uygulaması için elektro aktif polimer ve metal oksitler kullanılmıştır. PANI, SnO2 malzelemelerin sentez kısımları gerçekleştirilmiş (PANI için emeraldin baz yalıtkan formu HCl ile muamele edilerek iletken hale getirilmiştir) ve ticari olarak satılan ZnO malzemesi ile 1:1 mg ve 1:5 mg gibi farklı oranlarında PANI, PANI / SnO2, PANI / ZnO nano kompozit metal oksit 3 tip gaz sensörleri üretilmiştir. Bu gaz sensörleri ile gaz sensör uygulamasının; endüstriyel süreçlerin kontrolü, hava kalitesinin izlenmesi, çevresel güvenlik için öneme sahip NO2 gazı ve solunum yolu hastalıkları için öneme sahip olan aseton, etanol, nem ve kloroform gazlarının akım-zaman yanıt grafikleri MATLAB kodu geliştirilerek analiz edilmiştir. Tüm sensörlerin saf gazlara karşı ve bu saf gazların %30, %50, %70 neme maruz bırakılmış konsantrasyonları için, oda sıcaklığında ve 55℃ sıcaklıkta ölçümler alınarak bar grafikleri elde edilmiştir. Platin metali için α sabiti 0.00345 ℃-1 olarak hesaplanması çok katmanlı mikro ısıtıcı sistemlerin doğru bir biçimde geliştirildiği, 2 mm – 2 mm (en-boy) oranlarındaki takozların sisteme yapıştırılması ısı kaybını önlemiştir ve max 417℃ sıcaklık elde edilmiştir. Üretilen 3 sensör tipinin çalışır durumda olduğu ölçüm sisteminden alınan verilerin MATLAB analizi ile çalışır durumda olduğu tespit edilmiştir.