High sensitivity CMOS dedicated electronics for innovative impedance-based sensors

Impedance measurement is a powerful tool that can be exploited in many fields of research to inspect the properties of materials and detect a variety of phenomena. At the micro-scale, low-noise electronics is required for very small signals detection. CMOS integrated circuits offer advantages in terms of: (i) higher detection sensitivity, thanks to low parasitics and an optimal sizing of the front-end electronics, (ii) multichannel operation, (iii) higher bandwidth and (iv) a considerable miniaturization of the instrumentation. Aim of the research of this PhD work is the design of CMOS electronics for smart microsensors and the development of experimental electronic platforms to address issues of high scientific relevance. Recently, the novel ContactLess Integrated Photonic Probe (CLIPP) allows non-invasive light monitoring in Silicon Photonics. The photonic probe is an impedance-based photodetector and is able to measure the light-induced change of the electric conductance of waveguides through a capacitive access without perturbing the characteristics of the optical field, exploiting the inherently photon interaction with intra-gap energy states localized at the waveguide interface. The CLIPP is the first non-invasive photonic probe that enables feedback control on integrated optical devices, strongly sensitive to fabrication tolerances and environmental drifts, without tapping and rerouting optical power. A 32-channel CMOS ASIC has been designed to achieve a higher detection sensitivity (thanks to lower parasitics) compared to bench-top instrumentation, better than 10 pS, i.e. −30dBm in optical intensity, thanks to a low-noise capacitive feedback transimpedance amplifier. The chip features also a bias handling network based on sub-threshold transistors, double balanced square-wave demodulators and a low-parasitics multiplexer to enable multichannel parallelization for multi-point monitoring of complex photonic circuits. The ASIC then has been employed in an optoelectronic platform custom designed for photonic circuits monitoring and control, with the aim to implement a feedback control system able to adjust in real-time the operating conditions of optical devices, correcting against temporal drifts thanks to thermo-optic actuators. The non-invasive local feedback, light path tracking and optical circuits reconfiguration demonstrated in this work, pave the way for the large-scale integration of photonic microsystems. Microelectronics performing high sensitivity impedance measurements can be usefully exploited for airborne particulate matter (PM) detection. Standard detection methods lack portability, hampering low cost pervasive monitoring, whereas the recently demonstrated capacitive detection of PM10 directly in air is CMOS compatible and enables radical miniaturization of air quality monitors. A monolithic CMOS PM detector has been designed for the counting of the single airborne PM particles by means of a capacitive measurement. The arrival of dust particles of small diameters down to PM1 is detected through integrated planar interdigitated electrodes, fabricated using the top metal layer of a standard CMOS technology without post-processing steps. Numerical simulations have been carried out to optimize the electrode geometry estimating a capacitive change of C = 0.7 aF for a particle with 1 μm diameter and dielectric constant r = 2. The integration of the electronics and the sensor electrodes on the same chip entails a strong reduction of parasitics with benefits in terms of resolution. The required high resolution can be achieved by using a lock-in architecture on 32 sensors operating in parallel, featuring a digital-to-capacitance converter (DCC) that reduces the equivalent capacitance of the differential sensor structure and a DC bias network that diminishes the low-frequency noise. The sensitive area divided into 32 pixels, minimizes the stray capacitance at the input of each frontend amplifier, directly related to the capacitance resolution and the use of a rail-to-rail square-wave, generated by means of a ring oscillator, as excitation voltage, maximizes the amplitude of the capacitive signal. Furthermore, integrated low pass filters, which avoid the settling time during a fast scan of the 32 sensors through the single analog output, set the signal bandwidth between 40 Hz and 750 Hz. The designed sensor features 32 channels with a resolution better than 100 zFrms allowing a real-time detection, counting and sizing of PM with an equivalent diameter down to 1μm deposited on the active area of 1.15 mm2. The miniaturization and low-power consumption of the resulting system go beyond the state of art of the actual PM detectors, paving the way to pervasive (smartphone-embeddable) high performance air quality monitoring and control strategies.

La misura di impedenza è una tecnica che può essere sfruttata in molti campi di ricerca per analizzare le proprietà dei materiali e rilevare una gran varietà di fenomeni. Alla microscala, è richiesta elettronica a basso rumore per la rivelazione di segnali molto piccoli. I circuiti integrati CMOS offrono vantaggi in termini di: (i) elevata sensibilità, (ii) architettura multicanale, (iii)banda elevata e (iv) notevole miniaturizzazione della strumentazione. L’obbiettivo di questo dottorato di ricerca è lo sviluppo di elettronica CMOS per sensori micrometrici e lo sviluppo di piattaforme elettroniche sperimentali per affrontare questioni di elevata rilevanza scientifica. Recentemente, la nuova ContactLEss Integrated Photonic Probe (CLIPP) consento il monitoraggio non invasivo nel campo della Silicon Photonics. La sonda ottica è un fotorivelatore basato sulla misura di impedenza ed è in grado di misurare le variazione di conduttanza in guide d’onda integrate causate dalla luce, attraverso un accesso capacitivo senza perturbare le caratteristiche del campo ottico, sfruttando i fotoni che intrinsecamente interagiscono con livelli energetici intra-gap localizzati all’interfaccia della guida d’onda. La CLIPP è la prima sonda fotonica non invasiva che abilita il controllo ad anello chiuso di dispositivi ottici integrati, molto sensibili a tolleranze di fabbricazione e fluttuazioni ambientali, senza spillare potenza ottica. È stato progettato un ASIC CMOS a 32 canali per raggiungere una elevata sensibilità (grazie ai minori parassitismi capacitivi) rispetto alla strumentazione da banco, meglio di 10 pS, avvero -20dBm in termini di intensità ottica, grazie a una transimpedanza capacitivo a basso rumore. Il chip ha inoltre una rete di gestione della DC basata su transistor sotto soglia, un demodulatore ad onda quadra double balanced e un multiplexer con bassi parassitismi per abilitare la scansione multicanale per un monitoraggio su più punti di circuiti fotonici complessi. Il chip è stato poi integrato in una piattaforma optoelettronica progettata per l’applicazione di monitoraggio e controllo di circuiti fotonici, con l’obbiettivo di implementare un sistema di controllo ad anello chiuso in grado di regolare in tempo reale il punto di lavoro di dispositivi ottici, reagendo a drift termici grazie ad attuatori termo ottici. Il feedback locale non invasivo, il tracking della luce non invasivo e la riconfigurazione di circuiti ottici integrati dimostrati in questo lavoro, apre la scala all’integrazione su larga scala di microsistemi fotonici. La microelettronica che è in grado di fare misure di impedenza ad elevata sensibilità può essere sfruttata per la rivelazione del particolato ambientale in aria. I metodi standard di rilevamento mancano di portabilità, frenando lo sviluppo di monitoraggio pervasivo a basso costo, mentre la rivelazione capacitiva del PM10 direttamente in aria dimostrata recentemente è compatibile con la tecnologia CMOS e abilita la miniaturizzazione di punti di monitoraggio della qualità dell’aria. Un rivelatore monolitico CMOS di particolato ambientale è stato progettato per il conteggio delle singole particelle grazie alla misura capacitiva. L’arrivo di piccole particelle di polvere fino a 1um è rilevato per mezzo di elettrodi planari interdigitati, fabbricati utilizzando la top metal della tecnologia standard CMOS senza alcun passo di processo aggiuntivo. Sono state effettuate simulazioni numeriche per ottimizzare la geometria degli elettrodi stimando una variazione di capacità di 700zF da misurare per rilevare una particella da 1um e costante dielettrica pari a 2. L’integrazione degli elettrodi e dell’elettronica sullo stesso chip implica una notevole riduzione dei parassitismi con effetti benefici in termini di risoluzione. L’elevata risoluzione richiesta può essere raggiunta grazie all’architettura lock-in su 32 sensori operanti in parallelo, con l’ausilio di un digital-to-capacitance converter (DCC) che riduce la capacità equivalente della struttura differenziale del sensore e una rete DC che diminuisce il rumore a bassa frequenza. L’area sensibile divisa in 32 pixel, minimizza la capacità parassita all’ingresso di ogni amplificatore, direttamente legata alla risoluzione capacitiva, mentre l’uso dell’onda quadra rail-to-rail come sorgente di stimolo, generata da un ring oscillator, massimizza l’ampiezza del segnale capacitivo. Inoltre, filtri integrati passa basso, consentono di evitare il settling time durante una scansione rapida dei 32 canali attraverso la singola uscita analogica del chip, e settano la banda del segnale tra 40Hz e 750Hz. Il sensore progettato ha 32 canali con una risoluzione migliore di 100zF rms permettendo la rivelazione, il conteggio e il dimensionamento in tempo reale di PM con un diametro equivalente fino a 1um, depositato sulla superficie sensibile di 1.15mm^2. La miniaturizzazione e il basso consumo energetico del sistema risultante va otre lo stato dell’arte degli attuali rivelatori di particolato, aprendo la strada al monitoraggio pervasivo della qualità dell’aria e a strategie di controllo.