Integrated instrumentation for high sensitivity impedance measurements on nanosamples

The dramatic progress in miniaturization, made available by the integrated circuit technology, allows to implement sophisticated measurement systems on chip that can perform in a millimeter sized package most of the functions available with standard discrete components instrumentation. Circuit integration not only allows to develop massively parallel systems, otherwise too complex and bulky to be managed, but is often also the key for dramatically improving the sensitivity of the readout systems which are designed for investigating the micro- and nano- world. Sensitivity is indeed strongly related to the capacitance (electrodes and instrumental) at the input of the measuring system, CIN which actually defines the noise level of the instrument: an IC bonded to a nanoelectrode with an input capacitance of few hundreds of femtoFarad would allow to get about a x100 improvement in the sensitivity, if compared to the setup built with a bulky instrument, which has cable connections and about 10pF input capacitance. Even though fundamental, the miniaturization of the preamplification chain is not sufficient by itself, but must be coupled by both well-conceived setup and device to be measured. The setup must be thought so that it allows to actually shorten the connection to the device under test (DUT), physically approaching it as much as possible to the IC; the integration of the readout measurement system together with the DUT implies the development of embedded custom systems, which must also cope with the special requirements (for example biological, or optical, mechanical, chemical) of the DUT itself. The device itself must be finally properly devised in its characteristic properties to match as much as possible the readout requirements: maximize signal and signal-to-noise ratio when connected to the readout electronics, and minimize its input capacitance. The work presented in this thesis is focused on the development of instrumentation for high sensitivity measurements, and therefore focuses on the development of the IC preamplification chain, but also on the setup and on the device development. The first work is mainly focused on the development of an integrated transimpedance amplifier, made of a very peculiar two channel modulation/amplification/demodulation structure embedded into a feedback loop. This topology allows to reach a resolution as good as 0.4aF in the 100kHz − 150MHz range. After the IC development, a dedicated setup suitable for embedded applications has been also implemented, allowing to implement a complete instrument for impedance spectroscopy. The second work focuses instead on the implementation of a setup conceived for electrical measurements with an Atomic Force Microscope (AFM); in this measurement system the AFM probe is used as input electrode, while the metal input pad of an appositely optimized CMOS amplifier is directly used as a conductive substrate electrode: the parasitic connection to the amplifier input is reduced to the on-chip connection capacitance, increasing the system sensitivity up to 14.4zF. The third and last work focuses instead on the design and production of optimized devices which are conceived to sense the photoconductive effect caused by light when coupled into microphotonics waveguides, technology which is very promising for the development of non-invasive light detection into microphotonic structures. After theoretical study of the physical mechanisms involved and a first analysis of the material platforms suitable for this purpose, the devices have been designed for maximizing their performance in terms of sensitivity, produced and finally tested, proving the validity of their working principle.

I rilevanti progressi in termini di miniaturizzazione, resi possibili dalla tecnologia dei circuiti integrati, permettono di implementare sofisticati sistemi di misura su chip che sono in grado di realizzare, in un componente di pochi millimetri, la maggior parte delle funzioni disponibili con gli strumenti standard realizzati a componenti discreti. L’integrazione di circuiti non permette solamente di sviluppare sistemi in parallelo su vasta scala, altrimenti troppo complessi e ingombranti per essere gestiti, ma è spesso anche la soluzione per migliorare significativamente la sensitività dei sistemi di lettura che sono progettati per studiare il mondo micro- e nanoscopico. La sensitività è infatti fortemente legata alla capacità (degli elettrodi e dello strumento) all’ingresso del sistema di misura, CIN che in pratica definisce il fondo di rumore dello strumento: un IC bondato ad un nanoelettrodo con una capacità di ingresso di poche centinaia di femtoFarad permetterebbe un miglioramento di circa un fattore x100 della sensitività, se comparato ad un setup costruito con uno strumento da banco, con connessioni via cavo ed una capacità di ingresso di circa 10pF. Anche se fondamentale, la miniaturizzazione della catena di preamplificazione non è di per sé sufficiente, ma deve essere associata con un setup ed un sensore appositamente progettati. Il setup deve esser pensato così da permettere di minimizzare le connessioni verso il campione da misurare (DUT), avvicinandolo il più possibile al circuito integrato; l’integrazione del sistema di misura insieme al DUT implica lo sviluppo di sistemi compatti e specifici per ogni singola applicazione, che devono soddisfare i sempre diversi requisiti (per esempio biologici, o ottici, meccanici, chimici) del DUT stesso. Il DUT stesso deve essere infine concepito e progettato affinché le sue caratteristiche si accordino il più possibile con i requisiti del sistema di lettura: massimizzazione del segnale e rapporto segnale-rumore quando connesso all’elettronica di lettura, e minimizzazione della capacità di ingresso. Il lavoro presentato in questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di strumentazione per misure ad alta sensitività, e quindi si concentra sullo sviluppo della catena di preamplificazione dell’IC, ma anche sullo sviluppo del setup e del DUT. Il primo lavoro svolto, è principalmente concentrato sullo sviluppo di un amplificatore a transimpedenza, realizzato con una struttura molto particolare, con due canali di modulazione/amplificazione/demodulazione integrati all’interno di un anello di retroazione. Questa topologia permette di ottenere una risoluzione di soli 0.4aF nell’intervallo 100kHz – 150MHz. Oltre allo sviluppo del IC, un setup dedicato e compatto è stato realizzato così da implementare uno strumento completo. Il secondo lavoro si concentra invece sulla realizzazione di un setup pensato per effettuare misure elettriche con un Microscopio a Forza Atomica (AFM); in questo sistema di misura la punta dell’AFM è usata come elettrodo di ingresso, mentre il pad metallico di ingresso di un amplificatore CMOS, appositamente ottimizzato, è usato direttamente come elettrodo per realizzare il substrato conduttivo: la capacità parassita della connessione verso l’ingresso dell’amplificatore è ridotta alla sola capacità della connessione su chip. Questa soluzione ha permesso di aumentare la sensitività del sistema fino a 14.4zF. Il terzo e ultimo lavoro si concentra invece sul design e la produzione di componenti ottimizzati per misurare l’effetto fotoconduttivo causato dalla luce quando viaggia all’interno di componenti microfotonici quali possono essere le guide d’onda integrate. Questa tecnologia è molto promettente per lo sviluppo di strutture in grado di rivelare la presenza di luce in strutture microfotoniche in modo non invasivo. Dopo uno studio teorico dei meccanismi fisici implicati e una prima analisi delle piattaforme tecnologiche adatte per questi scopi, i sensori sono stati progettati per massimizzare la loro performance in termini di sensitività, quindi prodotti e infine testati, provando la validità del loro principio di funzionamento.