Intensive research within the biomedical domain during the last decade has raised an increasing interest on the capabilities of disease diagnosis based on exhaled breath analysis. While human exhaled breath has been shown to contain more than 3.000 different Volatile Organic Compounds (VOC), only about 10 of such VOCs are distinctive of a clinical state, requiring high specificity for its identification, with the added difficulty of concentrations ranging from ppm to ppt. While complex laboratory techniques like gas chromatography or mass spectrometry (or both) can be used for such identification, these solutions require bulky laboratory instruments being nowadays costly and time-consuming. The advancement of the Moore's law archetype started with the integration of the first CMOS circuits, and the relatively new - More than Moore - scaling paradigm oriented to diversification of the elements integrated on a system, has brought the capability of fabricating powerful and portable systems capable of processing not only electrical parameters but environmental and biochemical ones with the advantage of operating on-line. In this Master Thesis we develop a specific fully integrated CMOS-MEMS structure conceived for the detection of VOCs. The work starts from previously designed resonant structures oriented to mass sensing (with a demonstrated sensitivity in the order of attograms/Hz). A comprehensive analysis for the development of specific resonant platforms oriented to efficient chemical functionalization is presented. The final goal is to obtain an integrated sensor capable of high VOC specificity together with high sensitivity to allow for small VOC concentration detection. The work comprises the conception of the resonant MEMS structures, the development of equivalent-circuit models derived from analytical formulae, numerical FEM simulation, fabrication and experimental measurement of the overall system response. These structures are fabricated on a commercial 0.35µm CMOS technology adding a final maskless wet processing step to release the mechanical structures.

Recerca constant en l’àmbit de la biomedicina durant la darrera dècada ha provocat un increment en l’interès sobre la capacitat de diagnòstic de malalties basat en l’exhalat. Mentre que l’exhalat humà conté més de 3.000 components orgànics volàtils diferents (VOC), només uns 10 d’aquests són d’importància clínica, fet que requereix una alta especificitat per a la seva identificació, afegit al fet que es troben en concentracions que van des de ppm fins ppt. Encara que es poden emprar tècniques de laboratori complexes com puguin ser cromatografia de gasos o espectroscòpia de masses (o ambdues) per a la seva identificació, aquestes requereixen de grans instruments que avui dia són costosos i comporten un temps de dedicació elevat. L’avanç del prototip de la Llei de Moore començà amb la integració dels primers circuits CMOS, i el relativament nou -Més que Moore - paradigma orientat a la diversificació dels elements integrats en un sistema, ha derivat en la capacitat de fabricació de sistemes portàtils i potents capaços de processar no només paràmetres elèctrics, sinó també els ambientals i bioquímics amb l’avantatge de l’operació en línia. En aquesta Tesi de Màster desenvolupem una estructura CMOS-MEMS específica totalment integrada concebuda per a la detecció de VOCs. Aquest treball parteix d’estructures ressonants prèviament dissenyades amb una orientació cap a la mesura de masses (amb una sensibilitat demostrada de l’ordre de atograms/Hz). Es presenta un anàlisi per al desenvolupament de plataformes ressonants orientades cap a la funcionalització química el més eficient possible. L’objectiu final és obtenir un sensor integrat capaç d’assolir especificitat elevada als VOC juntament amb una sensibilitat considerable per a la detecció de concentracions petites d’aquests VOC. El treball consta del concepte d’estructures ressonants MEMS, el desenvolupament de models de circuit equivalent obtinguts de la formulació analítica, simulació numèrica FEM, fabricació i mesures experimentals de la resposta del sistema conjunt. Aquestes estructures estan fabricades mitjançant una tecnologia CMOS 0.35 µm comercial amb un procés final d’alliberació en líquid sense màscara de les estructures mecàniques.

Investigación constante en el ámbito de la biomedicina durante la última década ha provocado un incremento en el interés sobre la capacidad de diagnóstico de enfermedades basado en el exhalado. Mientras que el exhalado humano contiene más de 3.000 componentes orgánicos volátiles (VOC), solamente unos 10 de éstos son de importancia clínica, además de que se hallan en concentraciones que van des de ppm hasta ppt. Aunque se pueden usar técnicas de laboratorio complejas como son cromatografía de gases o espectrografía de masas (o ambas) para su identificación, éstas requieren de aparatosos instrumentos que hoy en día son costosos i requieren un alto tiempo de dedicación. El avance del prototipo de la Ley de Moore empezó con la integración de los primeros circuitos CMOS, y el relativamente nuevo -Más que Moore - paradigma orientado a la diversificación de los elementos integrados en un sistema, ha derivado en la capacidad de fabricación de sistemas portátiles i potentes capaces de procesar no solamente parámetros eléctricos, sino que también los ambientales y bioquímicos con la ventaja de la operación en línea. En esta Tesis de Máster desarrollamos una estructura CMOS-MEMS específica totalmente integrada concebida para la detección de VOCs. Este trabajo se basa en estructuras resonantes previamente diseñadas con una orientación hacia la medida de masas (con una sensibilidad demostrada del orden de atogramos/Hz). Se presenta un análisis para el desarrollo de plataformas resonantes orientadas hacia la funcionalización química lo más eficiente posible. El objetivo final es obtener un sensor integrado capaz de conseguir especificidad elevada a los VOC junto a una sensibilidad considerable para la detección de concentraciones pequeñas de estos VOC. El trabajo consta del concepto de estructura resonante MEMS, el desarrollo de modelos de circuito equivalente obtenidos de la formulación analítica, simulación numérica FEM, fabricación y medidas experimentales de la respuesta del sistema global. Estas estructuras están fabricadas mediante una tecnología CMOS 0.35µm comercial con un proceso final de liberación en líquido sin máscara de las estructuras mecánicas.