ITMI20131096A1 - Dispositivo sensore di gas integrato, in particolare per il rilevamento di monossido di carbonio (co) - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione fa riferimento ad un dispositivo sensore di gas integrato.

Più specificatamente l'invenzione si riferisce ad un dispositivo sensore di gas integrato comprendente un substrato di silicio ed uno strato di ossido sul substrato di silicio, nonché un elettrodo di lavoro, un elettrodo di conteggio di un elettrodo di riferimento, sullo strato di ossido, l’elettrodo di lavoro ed elettrodo di conteggio avendo rispettive aree attive esposte all'aria ambientale mediante almeno una pluralità di prime aperture ed una pluralità di seconda aperture nello strato di ossido in corrispondenza dell'elettrodo di lavoro e dell'elettrodo di conteggio.

L'invenzione fa altresì riferimento ad un metodo di fabbricazione di un dispositivo sensore di gas integrato.

L'invenzione riguarda in particolare, ma non esclusivamente, un dispositivo sensore di gas integrato per rilevare monossido di carbonio (CO) e la descrizione che segue à ̈ fatta con riferimento a questo campo di applicazione con il solo scopo di semplificarne l'esposizione.

Arte nota

Come à ̈ ben noto, un sensore di gas à ̈ un dispositivo che rileva la presenza di vari gas all’interno di un’area, usualmente come parte di un sistema di sicurezza. Questo tipo di equipaggiamento à ̈ utilizzato per rilevare una perdita di gas e si interfaccia con un sistema di controllo in modo tale che un processo possa essere automaticamente stoppato. Un sensore di gas può anche far suonare un allarme ad operatori nell’area in cui à ̈ avvenuta la perdita dando loro la possibilità di lasciare larea. Questo tipo di dispositivo à ̈ importante poiché esistono molti gas e che possono essere dannosi per la vita organica, come gli umani o gli animali.

In questo campo, un sensore di monossido di carbonio o sensore CO à ̈ un dispositivo che rileva la presenza del gas monossido di carbonio (CO) per prevenire avvelenamenti da monossido di carbonio. Infatti, à ̈ noto che il CO si attacca all’emoglobina (nel flusso sanguigno) con un’affinità 200 volte più forte dell’ossigeno, causando il trasporto di quantità inadeguate di ossigeno nel corpo, con sintomi quali mal di testa, affaticamento, nausea e vertigini che possono assomigliare a molti comuni malesseri e quindi essere erroneamente diagnosticati e trattati.

Elevati livelli di CO possono quindi essere dannosi per gli uomini a seconda della quantità presente e della lunghezza di esposizione. In particolare, anche piccole concentrazioni di CO possono essere dannose per lunghi periodi di tempo mentre concentrazioni maggiori sono dannose anche in caso di tempi di esposizione ridotti.

I sensori CO sono particolarmente importanti in ragione del fatto che il CO à ̈ incolore, insapore e inodore (a differenza del fumo di un incendio), e quindi il rilevamento in un ambiente domestico à ̈ impossibile senza un adeguato dispositivo di avvertimento.

Attualmente dispositivi sensori di monossido di carbonio sono facilmente disponibili per molte applicazioni industriali. I sensori utilizzati in questi dispositivi includono sensori elettrochimici, sensori a semiconduttore, rilevatori colorimetrici e sensori ad infrarosso.

Nell’ambito dei sensori elettrochimici, i sensori amperometrici sono largamente utilizzati per rilevare una vasta gamma di gas elettro attivi, ad esempio il monossido di carbonio.

I sensori di gas amperometrici usualmente comprendono tre elettrodi: un elettrodo di lavoro, un elettrodo di conteggio ed un elettrodo di riferimento. Questi elettrodi sono posizionati in contatto con un mezzo elettrolitico, quale una soluzione di elettrolita, oppure un polimero elettrolita. Un potenziale viene quindi applicato all’elettrodo di lavoro in maniera da indurre una reazione elettrochimica del gas rilevato che genera una corrente, proporzionale alla concentrazione di gas.

Selezionando opportunamente elettrodi metallici, elettroliti e potenziali di lavoro questa stessa struttura di dispositivo può essere ottimizzata per la rilevazione di differenti analiti gassose (ad esempio, NOx, O2, CO2,...).

Il gas deve diffondersi dall’ambiente attraverso una barriera di diffusione e quindi raggiungere la superficie dell’elettrodo di lavoro. L’elettrodo di lavoro à ̈ quindi chiamato elettrodo di diffusione del gas.

In relazione ai sensori CO, la rilevazione elettrochimica di monossido di carbonio à ̈ basata sulla reazione dello stesso in corrispondenza dell’elettrodo di lavoro, usualmente realizzato in platino, che à ̈ in grado di ossidare il monossido di carbonio. Essenzialmente, il monossido di carbonio à ̈ ossidato, in corrispondenza dell’elettrodo di lavoro in platino, in diossido di carbonio, mentre ossigeno viene consumato in corrispondenza dell’elettrodo di conteggio. Come indicato in precedenza, la corrente che à ̈ generata à ̈ una misura della quantità di monossido di carbonio.

A causa della reazione chimica del CO, gli elettrodi di lavoro e di conteggio non mantengono un potenziale costante. È quindi anche necessario un elettrodo di riferimento separato. Tutti e tre gli elettrodi sono elettrodi di diffusione di gas.

In particolare gli elettrodi di lavoro e di conteggio sono in contatto con l’ambiente, e quindi con l’aria ambientale, mediante una barriera di diffusione di gas. L’elettrodo di riferimento à ̈ schermato dal monossido di carbonio ed à ̈ mantenuto in un ambiente costante e quindi conserva un potenziale costante. Per la reazione all’elettrodo di conteggio, un apporto sufficiente di ossigeno à ̈ parimenti importante.

In caso di una rilevazione di monossido di carbonio, i sensori elettrochimici hanno vantaggi rispetto ai sensori ottenuti mediante altre tecnologie poiché essi hanno una maggiore accuratezza ed una uscita lineare rispetto alla concentrazione di monossido di carbonio, richiedono una potenza minima dal momento che lavorano temperatura ambiente, ed hanno una lunga vita di esercizio. Gli svantaggi principali di questo tipo di sensori restano quelli di un alto costo e della necessità di una loro frequente ricalibrazione.

Altri problemi si riscontrano quando i sensori di gas devono essere miniaturizzati, il costo finale dei dispositivi sensori miniaturizzati essendo addirittura maggiore.

Sensori di gas di tipo noto sono descritti ad esempio nell’articolo di Maseeh et al. dal titolo: “A Novel Silicon Micro Amperometric Gas Sensor†, IEEE, 1991, 91CH2817-5 e nell’articolo di P.D. van del Wal et al. dal titolo: “The development of a Nafion based amperometric carbon monoxide sensor for domestic safety†, Analusis, 1999, 27, No. 4, EDP Sciences, Wiley-VCH.

La presente invenzione mira quindi a superare i diversi problemi sopra identificati che affliggono i dispositivi sensori di gas noti.

In particolare, lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo sensore di gas integrato, in particolare per rilevare monossido di carbonio (CO), avente caratteristiche strutturali e funzionali tali da consentire di migliorare complessivamente le proprietà di rilevazione e di consentire la sua miniaturizzazione utilizzando processi di integrazione ben noti, stabili e a basso costo, in tal modo superando le limitazioni che tuttora affliggono i dispositivi realizzati secondo l’arte nota.

Sommario dellinvenzione

L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione à ̈ quella di dotare il dispositivo sensore di gas integrato di una porzione di strato di idrogel che ricopre una porzione di strato di elettrolita in maniera da agire come una riserva di acqua "allo stato quasi solido".

Sulla base di tale idea di soluzione, secondo la presente invenzione, i problemi tecnici che affliggono i dispositivi sensori di gas secondo l’arte nota sono risolti da un dispositivo sensore di gas integrato come rivendicato nella rivendicazione 1, in particolare un dispositivo comprendente un substrato di silicio ed uno strato di ossido sul substrato di silicio, nonché un elettrodo di lavoro, un elettrodo di conteggio ed un elettrodo di riferimento, su detto strato di ossido, detto elettrodo di lavoro e detto elettrodo di conteggio avendo rispettive aree attive esposte ad un’aria ambientale mediante almeno una pluralità di prime aperture ed una pluralità di seconda aperture in detto strato di ossido in corrispondenza di detto elettrodo di lavoro e di detto elettrodo di conteggio, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una porzione di strato di elettrolita ed una porzione di strato di idrogel su detta porzione di strato di elettrolita, dette porzioni di strato di elettrolita e di idrogel avendo una stessa dimensione, adatta a ricoprire almeno detti elettrodi di lavoro, di conteggio e di riferimento, detta porzione di strato di idrogel agendo come una riserva di acqua "allo stato quasi solido".

Più in particolare, forme di realizzazione particolari dei dispositivi sensori di gas secondo la presente invenzione possono comprendere le seguenti caratteristiche supplementari e facoltative, prese singolarmente o in combinazione all’occorrenza.

Le aree attive di detti elettrodi di lavoro e di conteggio possono avere forme a griglia comprendenti rispettive pluralità di terze e quarte aperture.

In particolare, le aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio possono avere forme a griglia esagonale.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la porzione di strato di elettrolita può riempire le terze aperture dell’elettrodo di lavoro e le quarte aperture dell’elettrodo di conteggio.

La porzione di strato di elettrolita può avere una adesione favorita sullo strato di ossido.

Inoltre, le prime e seconde aperture e le terze e quarte aperture possono essere posizionate in maniera allineata, in modo tale che ciascuna delle prime aperture à ̈ una prosecuzione nello strato di ossido di una corrispondente apertura delle terze aperture e ciascuna delle seconde aperture à ̈ una prosecuzione nello strato di ossido di una corrispondente apertura delle quarte aperture.

Le prime e seconde aperture possono avere la stessa dimensione e forma delle terze e quarte aperture. In alternativa, le prime e seconde aperture possono avere dimensione e forma più piccole delle terze e quarte aperture.

Inoltre, gli elettrodi di lavoro, di conteggio e di riferimento possono essere formati da almeno un primo metallo ed un secondo metallo, sovrapposti l’uno all’altro .

Secondo tale aspetto dell’invenzione, il primo metallo può essere titanio ed essere ricoperto dal secondo metallo che può essere platino.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, il dispositivo sensore di gas integrato può comprendere ulteriormente un’apertura principale realizzata nel substrato di silicio così da raggiungere lo strato di ossido e le prime e seconde aperture dello strato di ossido, così da esporre le aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio, rispettivamente, all’aria ambientale.

In particolare, l’apertura principale può essere rastremata ed avere una dimensione trasversale che diminuisce a partire dal substrato di silicio, fino allo strato di ossido.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, il dispositivo sensore di gas integrato può comprendere ulteriormente una pluralità di aperture del tipo a trench realizzate nel substrato in corrispondenza delle prime e seconde aperture realizzate nello strato di ossido.

Più in particolare, le aperture del tipo a trench del substrato di silicio possono avere la stessa dimensione e forma delle prime e seconde aperture dello strato di ossido.

Il dispositivo sensore di gas integrato può comprendere ulteriormente uno strato di copertura, che ricopre la porzione di strato di elettrolita e la porzione di strato di idrogel ed in contatto con le stesse ed sinché con il secondo strato di ossido. Lo strato di copertura può essere conformato come una U inversa o secondo un’altra forma adatta ad ottenere un volume chiuso che contiene la porzione di strato di elettrolita e la porzione di strato di idrogel.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la porzione di strato di elettrolita può comprendere un sistema acquoso di acidi, basi e sali, un elettrolita polimerico, un sistema non acquoso come il carbonato di propilene, il perclorato di litio, l’ossido di polietilene, il cloruro di litio, liquidi ionici.

In particolare, la porzione di strato di elettrolita può essere fatta di Nailon®, un fluoropolimero-copolimero basato su tetrafluoretilene solfonato prodotto da Dupont.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la porzione di strato di idrogel può comprendere un idrogel elettrolitico, che combina la porzione di strato di elettrolita e la porzione di strato di idrogel in un singolo strato avente le funzionalità di entrambi gli strati di elettrolita e di idrogel.

In particolare, lidrogel elettrolitico può essere scelto tra 2-idrossietilmetacrilato (HEMA) e glicole etilenico dimetacrilato (EGDM), alcol polivinilico (PVA), polietilene glicol diacrilato (PEG-DA).

Secondo un altro aspetto dellinvenzione, lo strato di ossido può essere uno strato di ossido di silicio.

Ulteriormente, secondo la presente invenzione, si propone un processo di fabbricazione di un dispositivo sensore di gas integrato comprendente le fasi di:

deposizione di uno strato di ossido su un substrato di silicio;

- deposizione di un primo strato metallico sullo strato di ossido e di un secondo strato metallico sul primo strato metallico;

conformazione (patteming) del primo strato metallico e del secondo strato metallico per definire un elettrodo di riferimento, un elettrodo di lavoro ed un elettrodo di conteggio del dispositivo sensore di gas integrato, tutti simultaneamente, la fase di conformazione definendo anche rispettive aperture degli elettrodi di lavoro e di conteggio;

etching dello strato di ossido e definizione di rispettive ulteriori aperture nello strato di ossido, in corrispondenza delle aperture degli elettrodi di lavoro e di conteggio, formando rispettive aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio con una forma a griglia;

deposizione di uno strato di elettrolita sullo strato di ossido;

deposizione di uno strato di idrogel sullo strato di elettrolita;

- etching dello strato di elettrolita e dello strato di idrogel per ottenere una porzione di strato di elettrolita ed una porzione di strato di idrogel aventi una stessa dimensione, adatta a coprire almeno gli elettrodi di lavoro, di conteggio e di riferimento, la porzione di strato di idrogel agendo come una riserva di acqua “allo stato quasi solido†del dispositivo sensore di gas integrato; e

esposizione delle aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio ad un’aria ambientale.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la fase di etching dello strato di ossido può comprendere un processo fotolitografico che utilizza una maschera litografica per definire le ulteriori aperture nello strato di ossido aventi una dimensione e forma più piccola delle aperture degli elettrodi di lavoro e di conteggio.

In alternativa, la fase di etching dello strato di ossido può utilizzare il primo ed il secondo strato metallico, già conformati, come hardmask combinata con una ulteriore maschera per definire le ulteriori aperture nello strato di ossido aventi la stessa dimensione e forma delle aperture degli elettrodi di lavoro e di conteggio.

Secondo un aspetto dell’invenzione, la fase di deposizione dello strato di elettrolita può riempire le aperture degli elettrodi di lavoro e di conteggio, completando così le aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio, rispettivamente.

Inoltre, la fase di conformazione del primo strato metallico e del secondo strato metallico può definire aperture aventi una forma esagonale.

Secondo un aspetto dell’invenzione, la fase di deposizione di uno strato di elettrolita può comprendere una fase di rivestimento per rotazione.

In particolare, la fase di deposizione di uno strato di elettrolita può essere seguita da una fase di ricottura (annealing) ad una temperatura di 140°C e da una fase di immersione in acido solforico ad una temperatura di 90° C e con una concentrazione di 0.5M.

Il processo di fabbricazione può comprendere una fase di trattamento superficiale con alcano silani dello strato di ossido che à ̈ realizzata prima della fase di deposizione dello strato di elettrolita.

Secondo un altro aspetto dellinvenzione, la fase di deposizione di uno strato di idrogel può comprendere una fase di rivestimento per rotazione.

In particolare, la fase di deposizione di uno strato di idrogel può essere seguita da una fase di immersione in acqua ad una temperatura di 90°C.

Inoltre, secondo un aspetto dellinvenzione, la fase di deposizione del primo strato metallico e del secondo strato metallico può depositare un primo strato metallico di titanio avente uno spessore tra 5 e 30 nm, preferibilmente uguale a 20 nm, ed un secondo strato metallico di platino avente uno spessore tra 80 e 120 nm, preferibilmente uguale a 100 nm.

Il processo di fabbricazione può comprendere ulteriormente una fase di deposizione di uno strato di rivestimento, che ricopre la porzione di strato di elettrolita e la porzione di strato di idrogel.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la fase di esposizione delle aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio aH’aria ambientale comprende una fase di:

etching profondo dal retro (deep back etching) del substrato di silicio per definire un'apertura nel substrato di silicio che raggiunge lo strato di ossido e le ulteriori aperture in corrispondenza degli elettrodi di lavoro e di conteggio.

Ulteriormente, secondo un altro aspetto dell’invenzione, la fase di deep back etching del substrato di silicio utilizza tecniche di micromachining.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il processo di fabbricazione può comprendere ulteriormente, prima della fase di esposizione delle aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio all’aria ambientale, una fase di etching ulteriore del substrato di silicio e di realizzazione di trench profondi in corrispondenza delle aperture di detti elettrodi di lavoro e di conteggio.

Più in particolare, la fase di esposizione delle aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio all’aria ambientale comprende la fase di:

macinazione posteriore (back grinding) del substrato per rimuovere una parte dello stesso da un lato opposto allo strato di ossido finché i trench profondi sono completamente aperti ambientale, così da formare aperture del tipo a trench che formano, con le aperture dello strato di ossido e le ulteriori aperture degli elettrodi di lavoro e di conteggio, un percorso per un flusso di gas verso le aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio.

Infine, la fase di realizzazione dei trench profondi nel substrato comprende una fase di etching profondo a ioni reattivi che utilizza una stessa maschera litografica utilizzata per ottenere le aperture nello strato di ossido, così da ottenere trench profondi aventi le stesse dimensione e forma delle ulteriori aperture degli elettrodi di lavoro e di conteggio.

Le caratteristiche ed i vantaggi del dispositivo sensore di gas integrato e del corrispondente processo di fabbricazione secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

In tali disegni:

la Figura 1 mostra schematicamente una vista laterale di un dispositivo sensore di gas integrato realizzato secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;

la Figura 2 mostra schematicamente una vista semplificata del dispositivo sensore di gas integrato della Figura 1 ;

le Figure 3A-3I mostrano schematicamente il dispositivo sensore di gas integrato della Figura 1 in diverse fasi del suo processo di fabbricazione;

la Figura 4 mostra schematicamente una vista laterale di un dispositivo sensore di gas integrato realizzato secondo una forma di realizzazione alternativa dell’invenzione; e

- le Figure 5A-5I mostrano schematicamente la forma di realizzazione alternativa della Figura 4 in diverse fasi del suo processo di fabbricazione.

Descrizione dettagliata

Con riferimento a tali figure, ed in particolare alla Figura 1, un dispositivo sensore di gas integrato à ̈ complessivamente schematicamente indicato con 10.

Nella descrizione che segue, numerosi specifici dettagli sono dati per consentire una comprensione completa delle forme di realizzazione. Le forme di realizzazione possono essere attuate senza uno o più degli specifici dettagli, oppure con altri metodi, componenti, materiali ecc. In altri casi, ben note strutture, materiali, oppure operazioni, non sono mostrate o descritte in dettaglio per evitare di oscurare aspetti delle forme di realizzazione.

All’interno di tutta la descrizione, il riferimento a “una particolare forma di realizzazione†oppure “una forma di realizzazione†indica che una particolare caratteristica, struttura, oppure peculiarità descritte relazione con la forma di realizzazione à ̈ inclusa in almeno una forma di realizzazione. Quindi, l’utilizzo delle frasi “in una forma di realizzazione†, “secondo una forma di realizzazione†oppure “nella forma di realizzazione†e frasi simili in diverse posizioni all’interno del testo non si riferiscono necessariamente tutte ad una stessa forma di realizzazione. Ulteriormente, le particolari caratteristiche, strutture, oppure peculiarità possono essere combinati in una qualsiasi maniera opportuna in una o più delle forme di realizzazione.

Come sarà chiarito dal seguito della descrizione, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, il dispositivo sensore di gas integrato 10 à ̈ vantaggiosamente realizzato mediante un flusso di processo di integrazione che à ̈ compatibile con i processi di fabbricazione attualmente utilizzati per realizzare dispositivi integrati.

Occorre notare che le fasi di processo che vengono descritte nel seguito non formano un processo di fabbricazione di circuiti integrati completo. La presente invenzione può essere implementata assieme alle tecniche di fabbricazione di circuiti integrati che sono usualmente impiegate nel campo, e solo quelle fasi che sono necessari alla comprensione della presente invenzione sono state descritte.

Inoltre, le figure che mostrano viste schematiche di strutture integrate durante la fabbricazione non sono disegnate in scala, essendo al contrario disegnate in modo da enfatizzare le caratteristiche importanti dell’invenzione .

Il dispositivo sensore di gas integrato 10 comprende un substrato 11, detto substrato 11 essendo ricoperto da uno strato di ossido 13, lo strato di ossido 13 essendo quindi fornito su una prima faccia o faccia superiore del substrato 11 .

In particolare, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, un ulteriore strato di ossido 12 viene fornito, ricoprente una seconda e opposta faccia del substrato 11, in particolare la faccia inferiore del substrato 11 .

Il substrato 11 può essere un substrato di silicio (Si) e gli strati di ossido 12 e 13 possono essere estratti di ossido di silicio (SiO2).

Più in particolare, considerando il sistema di coordinate della Figura 1, il substrato 11 à ̈ posizionato al di sopra dell’ulteriore strato di ossido 12 e lo strato di ossido 13 à ̈ posizionato al di sopra del substrato 11 , cosicché il substrato 11 à ̈ racchiuso a sandwich tra lo strato di ossido 13 e l’ulteriore strato di ossido 12.

Secondo una forma di realizzazione dellinvenzione, lo strato di ossido 13 può avere uno spessore tra 1 e 3 Î1⁄4m , preferibilmente uguale a 1 Î1⁄4m . Inoltre, il substrato 11 può avere uno spessore di 500 Î1⁄4m e il primo strato di ossido 12 può avere uno spessore tra 1 e 3 Î1⁄4m , preferibilmente uguale a 1 Î1⁄4m .

II dispositivo sensore di gas integrato 10 comprende anche un elettrodo di lavoro WE, un elettrodo di conteggio CE ed un elettrodo di riferimento RE, realizzati sullo strato di ossido 13.

Opportunamente, gli elettrodi WE, CE e RE sono formati da almeno un primo metallo ed un secondo metallo, sovrapposti l’uno all’altro. In particolare, in una forma di realizzazione dell’invenzione, il primo metallo à ̈ titanio (Ti) ed à ̈ ricoperto dal secondo metallo che à ̈ platino (Pt).

In particolare, il primo metallo à ̈ uno strato di titanio avente uno spessore tra 5 e 30 nm, preferibilmente uguale a 20 nm ed il secondo metallo à ̈ uno strato di platino avente uno spessore tra 80 e 120 nm, preferibilmente uguale a 100 nm.

Un’apertura principale 14 à ̈ realizzata nel substrato 11 in modo da raggiungere lo strato di ossido 13 ed una pluralità di prime aperture 15 ed una pluralità di seconda aperture 16 sono realizzate nello strato di ossido 13 in corrispondenza del'elettrodo di lavoro WE e dell’elettrodo di conteggio CE, rispettivamente. L’apertura principale 14 à ̈ anche realizzata nell’ulteriore strato di ossido 12, se presente. Le prime seconda aperture 15 e 16 sono via passanti che partono dall’apertura principale 14 e raggiungono l’elettrodo di lavoro WE e l’elettrodo di conteggio CE, in particolare il primo metallo di questi elettrodi.

Rispettive porzioni 11A, 11B del substrato 11 sono disposte da lati opposti dell’apertura principale 14. Inoltre, rispettive porzioni 12A, 12B dell’ulteriore strato di ossido 12, se presente, sono altresì disposte da lati opposti dell’apertura principale 14 ricoprendo le rispettive porzioni 11A, 11B del substrato 11. Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, l’apertura principale 14 à ̈ rastremata ed ha una dimensione trasversale o diametro che diminuisce a partire da substrato 11, fino allo strato di ossido 13.

Come mostrato in Figura 2, che à ̈ una vista dall’alto di un dispositivo sensore di gas integrato 10 in corrispondenza di un piano a livello degli elettrodi, ciascun elettrodo comprende un’area attiva e un’area di pad, in contatto elettrico l’una con l’altra mediante un ponte conduttivo. Più in particolare, l’elettrodo di lavoro WE ha un’area attiva WEa ed un’area di pad WEp, elettricamente connesse l’una all'altra mediante un ponte conduttivo WEb, l’elettrodo di conteggio CE ha un’area attiva CEa ed un’area di pad CEp, elettricamente connesse l’una all’altra mediante un ponte conduttivo CEb e l’elettrodo di riferimento RE ha un’area attiva Rea e un’area di pad REp, elettricamente connesse l’una all’altra mediante un ponte conduttivo REb.

Ulteriormente, l’area attiva WEa dell’elettrodo di lavoro WE comprende una pluralità di terze aperture 15a così che l’area attiva WEa ha una forma a griglia. In maniera analoga, l’area attiva CEa dell’elettrodo di conteggio CE comprende una pluralità di quarte aperture 16a così che l’area attiva CEa ha una forma a griglia. Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, le aree attive WEa e CEa degli elettrodi di lavoro e di conteggio WE e CE, rispettivamente, hanno una forma a griglia esagonale.

Le prime aperture 15 e le terze aperture 15a possono avere la stessa dimensione forma e sono posizionate in maniera allineata, in modo tale che ciascuna delle prime aperture 15 à ̈ una prosecuzione nello strato di ossido 13 di una corrispondente apertura delle terze aperture 15a. In alternativa, le prime aperture 15 possono avere una dimensione forma più piccole delle terze aperture 15a sulla base delle opzioni di etching dello strato di ossido 13.

In maniera analoga, le seconda aperture 16 e le quarte aperture 16a possono avere la stessa dimensione e forma e sono posizionate in maniera allineata, così che ciascuna delle seconde aperture 16 à ̈ una prosecuzione nello strato di ossido 13 di una corrispondente apertura delle quarte aperture 16a. Le seconda aperture 16 possono in alternativa avere una dimensione forma più piccole delle quarte aperture 16a, sempre sulla base delle opzioni di etching dello strato di ossido 13.

Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, queste aperture 15, 15a e 16, 16a hanno forme esagonali.

Il dispositivo sensore di gas integrato 10 comprende inoltre una porzione di strato di elettrolita 17A ottenuta dallo strato di elettrolita 17 e che ricopre l’elettrodo di lavoro WE, l'elettrodo di conteggio CE e l’elettrodo di riferimento RE.

Lo strato di elettrolita 17 riempie anche le terze aperture 15a dell’elettrodo di lavoro WE e le quarte aperture 16a dell’elettrodo di conteggio CE, ma non raggiunge le corrispondenti prime aperture 15 e seconda aperture 16 nello strato di ossido 13.

In tal modo, l’elettrodo di lavoro WE e l’elettrodo di conteggio CE sono in contatto con l’aria ambientale tramite l’apertura principale 14, le prime aperture 15 e le seconda aperture 16, rispettivamente, mentre l’elettrodo di riferimento RE à ̈ isolato dall’aria ambientale grazie alla presenza della porzione 11A del substrato 11. In particolare, lo strato di elettrolita 17 che riempie le quarte quinte aperture 15a e 16a degli elettrodi di lavoro e di conteggio WE e CE, rispettivamente, realizza le corrispondenti aree attive WEa e CEa che sono in contatto con l’aria ambientale.

In particolare, la porzione di strato di elettrolita 17A ha una adesione favorita sullo strato di ossido 13.

Lo strato di elettrolita può essere realizzato con qualsiasi adatto materiale in grado di realizzare il necessario sistema elettrolitico per le reazioni di rilevamento e conteggio e adatto a realizzare un’opportuna interfaccia per gli elettrodi.

Occorre rimarcare che ulteriori vantaggi sono ottenuti quando lo strato di elettrolita 17 Ã ̈:

un buon conduttore protonico;

un buon solvente per reagenti e prodotti della reazione elettrochimica del gas rilevato; e

- chimicamente e fisicamente stabile per la produzione e il funzionamento dei sensori.

Ad esempio, lo strato di elettrolita 17 può comprendere un sistema acquoso di acidi, basi e sali o un polimero elettrolita. In alternativa, lo strato di elettrolita 17 può comprendere un sistema non acquoso come il carbonato di propilene, il perclorato di litio, l’ossido di polietilene, il cloruro di litio, liquidi ionici.

Secondo una forma di realizzazione preferite dell’invenzione, per un rilevamento ottimale di CO, lo strato di elettrolita 17 può essere realizzato in Nafion®, prodotto da Dupont, che à ̈ un fluoropolimerocopolimero basato su tetrafluoretilene solfonato ed ha una conducibilità ionica adatta grazie al salto di H+ attraverso i gruppi SO3-. Inoltre, il Nafion® à ̈ disponibile come membrana solida oppure come una soluzione liquida che può essere distribuita, avente buone proprietà di bagnabilità testate su un ossido di silicio (Si) e su substrati di polietilene naftalato (PEN).

Il dispositivo sensore di gas integrato 10 comprende inoltre una porzione di strato di idrogel 18A ottenuta da uno strato di idrogel 18 e posizionata sulla porzione di strato di elettrolita 17A, la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A avendo la stessa dimensione, adatta a ricoprire almeno l’elettrodo di lavoro WE, l’elettrodo di conteggio CE e l’elettrodo di riferimento RE. In tal modo, la porzione di strato di idrogel 18A agisce come una riserva di acqua “allo stato quasi solido†per il dispositivo sensore di gas integrato 10.

In particolare, per un ottimale rilevamento di CO, l’idrogel può essere scelto tra idrogel elettrolitici, quali 2-idrossietilmetacrilato (HEMA) e glicole etilenico dimetacrilato (EGDM), alcol polivinilico (PVA), polietilene glicol diacrilato (PEG-DA). In questo caso, l’idrogel elettrolitico combina le funzionalità di entrambi gli strati di elettrolita e di idrogel in un singolo strato.

Infine, il dispositivo sensore di gas integrato 10 comprende uno strato di copertura 19, che ricopre la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A e che à ̈ in contatto con entrambi e con lo strato di ossido 13. Lo strato di copertura 19 à ̈ quindi conformato come una U inversa o secondo un’altra forma adatta ad ottenere un volume chiuso che contiene la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A.

Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, lo strato di copertura 19 può essere fatto di poliimmide, poliestere, poliuretano, politetrafluoroetilene, o qualsiasi altro materiale termoplastico non reattivo e può avere uno spessore tra 50 e 400 Î1⁄4m, preferibilmente uguale a 100 Î1⁄4m.

Il dispositivo sensore di gas integrato 10 à ̈ ottenuto mediante un flusso di processo che à ̈ adatto ad essere implementato secondo gli attuali processi di fabbricazione e le tecnologie per integrare dispositivi elettronici, detto flusso di processo comprendendo le seguenti fasi (anche illustrate nelle Figure 3A-3I).

Come illustrato nella Figura 3A, come una prima fase di processo, uno strato di ossido 13 Ã ̈ depositato su un substrato 11, lo strato di ossido 13 essendo quindi realizzato su una prima faccia o faccia superiore del substrato 11. In particolare uno strato di ossido di silicio (SiO2) Ã ̈ realizzato su un substrato di silicio (Si).

Un ulteriore strato di ossido 12 può essere realizzato in modo da coprire una seconda e opposta faccia del substrato 11 , in particolare una faccia inferiore del substrato 11. In particolare, anche l’ulteriore strato di ossido 12 può essere uno strato di ossido di silicio (SiO2).

Durante un’ulteriore fase di processo, viene realizzata una deposizione di un primo strato metallico 20 sullo strato di ossido 13 e di un secondo strato metallico 21 sul primo strato metallico 20, come illustrato in Figura 3B. Occorre sottolineare che questa singola fase di deposizione consente di depositare gli elettrodi di lavoro, di conteggio e di riferimento, WE, CE e RE, contemporaneamente.

Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, questa fase di deposizione comprende depositare un primo strato metallico 20 di titanio (Ti) avente uno spessore tra 5 e 30 nm, preferibilmente uguale a 20 nm ed un secondo strato metallico 21 di platino (Pt) avente uno spessore tra 80 e 120 nm, preferibilmente uguale a 100 nm.

Come illustrato in Figura 3C, il processo comprende quindi una fase di conformazione (patterning) degli strati metallici 20 e 21. In particolare, tale fase di conformazione definisce l’elettrodo di riferimento RE così come l’elettrodo di lavoro WE e l’elettrodo di conteggio CE, tutti essendo realizzati simultaneamente.

Ulteriormente, secondo questa fase di conformazione, anche le terze e quarte aperture 15a e 16a dell’elettrodo di lavoro WE e dell’elettrodo di conteggio CE, rispettivamente, sono conformate. Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, dette terze e quarte aperture 15a e 16a sono conformate in modo da avere una forma esagonale.

Il processo comprende quindi una fase di etching dello strato di ossido 13, come illustrato in Figura 3D, che può essere realizzata in diversi modi, in particolare secondo le diverse opzioni di etching di questo strato di ossido 13. La fase di etching dello strato di ossido 13 può essere ulteriormente ottimizzata o ingegnerizzata da un esperto del settore per ottenere la struttura di dispositivo desiderata.

Questa fase di etching in particolare apre le prime e seconde aperture 15 e 16 nello strato di ossido 13, in particolare in corrispondenza delle terze e quarte aperture 15a e 16a, rispettivamente, come illustrato in Figura 3D. Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, questa fase di etching dello strato di ossido 13 à ̈ una fase di etching a secco (dry).

Più in particolare, dal momento che le prime e seconde aperture 15 e 16 sono realizzate da una fase di etching seguita dalla fase di conformazione delle terze e quarte aperture 15a e 16a, le prime e seconde aperture 15 e 16 possono avere le stesse dimensione e forma delle terze e quarte aperture 15a e 16a, rispettivamente.

In tal modo, lo strato di ossido 13 à ̈ sostanzialmente uno strato del tipo a membrana, che comprende le prime e seconde aperture 15 e 16 come pori. Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, questi pori hanno una diagonale che va da circa 2 a circa 15 Î1⁄4m ed una distanza (pitch) di 26 Î1⁄4m, essendo profondi come lo strato di ossido 13, ad esempio 1 Î1⁄4m o più.

Quindi, le aree attive WEa e CEa degli elettrodi di lavoro e di conteggio WE e CE, rispettivamente, sono definite, in particolare con una forma del tipo a griglia.

Più in particolare, la fase di etching può comprendere un processo fotolitografico che utilizza una maschera litografica per definire ulteriori aperture, 15 e 16, nello strato di ossido 13, in corrispondenza con le aperture, 15a e 16a, degli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE, le ulteriori aperture 15 e 16 nello strato di ossido 13 avendo una dimensione e forma più piccola delle aperture 15a e 16a degli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE.

In alternativa, la fase di etching può utilizzare il primo e secondo strato metallico, 20 e 21, già conformati, come una hard mask combinata con una ulteriore maschera allo scopo di definire rispettive ulteriori aperture 15 e 16 nello strato di ossido 13, in corrispondenza con le aperture 15a e 16a degli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE. In questo caso, le ulteriori aperture 15 e 16 nello strato di ossido 13 hanno le stesse dimensione e forma delle aperture 15a e 16a degli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE.

Come illustrato nella Figura 3E, il processo comprende inoltre una fase di deposizione di uno strato di elettrolita 17 sullo strato di ossido 13 e una fase di deposizione di uno strato di idrogel 18 sullo strato di elettrolita 17.

Una fase di trattamento superficiale con alcano silani, come ad esempio ATES (3-amminopropil trietossilano), dello strato di ossido 13 può essere realizzata prima della deposizione dello strato di elettrolita 17 così da ottenere una adesione favorita dello strato di elettrolita 17 sullo strato di ossido 13.

Secondo una forma di realizzazione dellinvenzione, la fase di deposizione dello strato di elettrolita 17 comprende una fase di rivestimento per rotazione di un elettrolita, che può essere seguita da una fase di ricottura (annealing) ad una temperatura di 140°C e da una fase di immersione in acido solforico (H2SO4) ad una temperatura di 90°C e con una concentrazione di 0.5M.

Secondo una forma di realizzazione dellinvenzione, la fase di deposizione deposita uno strato di elettrolita 17 che à ̈ scelto tra un sistema acquoso di acidi, basi e sali, un polimero elettrolita, un sistema non acquoso come il carbonato di propilene, il perclorato di litio, l’ossido di polietilene, il cloruro di litio, liquidi ionici.

Secondo una forma di realizzazione preferita deirinvenzione, per un rilevamento ottimale di CO, la fase di rivestimento per rotazione deposita uno strato di elettrolita 17 di Nailon®, che à ̈ un fluoropolimerocopolimero basato su tetrafluoroetilene solfonato prodotto da Dupont.

In particolare, la fase di deposizione dello strato di elettrolita 17 riempie le terze aperture 15a dell’elettrodo di lavoro WE e le quarte aperture 16a dell’elettrodo di conteggio CE, così completando le aree attive WEa e CEa degli elettrodi di lavoro e di conteggio WE e CE, rispettivamente .

La fase di deposizione dello strato di idrogel 18 comprende altresì una fase di rivestimento per rotazione dello strato di idrogel 18.

Il processo comprende quindi una fase di etching dello strato di elettrolita 17 e dello strato di idrogel 18, così da ottenere la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A, come illustrato in Figura 3F. Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, questa fase di etching dello strato di elettrolita 17 e dello strato di idrogel 18 una fase di etching a secco (dry).

Il processo può anche comprendere una seguente fase di immersione in acqua (H2O) ad una temperatura di 90°C.

Secondo una forma di redazione deH’invenzione, la fase di rivestimento per rotazione deposita uno strato bagnante (wetting layer) come strato di idrogel 18, che agisce come una riserva di acqua “allo stato quasi solido†in grado di superare i limiti degli elettroliti solidi e liquidi.

In particolare, per un ottimale rilevamento di CO, la fase di rivestimento per rotazione deposita uno strato di idrogel 18 che à ̈ scelto tra gli idrogel elettrolitici, quali il 2-idrossietilmetacrilato (HEMA) e il glicole etilenico dimetacrilato (EGDM), l’alcol polivinilico (PVA), il polietilene glicol diacrilato (PEG-DA).

Quindi, il processo comprende una ulteriore fase di deposizione dello strato di rivestimento 19, che ricopre la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A e contatta lo strato di ossido 13 che à ̈ stato lasciato libero dopo la fase di dry etching dello strato di elettrolita 17 e dello strato di idrogel 18 ai lati opposti della porzione di strato di elettrolita 17A, come illustrato in Figura 3G.

A questo punto, il processo comprende una fase di esposizione delle aree attive WEa e CEa degli elettrodi di lavoro e di conteggio WE e CE all’aria ambientale.

In particolare, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, il processo comprende fasi di retro lavorazione (back cell), in particolare utilizzando tecniche di micromachining, da effettuarsi sul substrato 1 1.

Più in particolare, il processo può comprendere una fase di etching a secco (dry) dell’ulteriore strato di ossido 12, se presente, che apre un’apertura 14A e definisce rispettive porzioni 12A e 12B dell’ulteriore strato di ossido 12, come mostrato in Figura 3H.

Infine, secondo questa forma di realizzazione, il processo comprende una fase di etching profondo sul retro (deep back etching) del substrato 11 che à ̈ una fase di etching a secco (dry), eventualmente realizzata attraverso l’apertura 14A, allo scopo di definire l’apertura principale 14 attraverso il substrato 11 fino allo strato di ossido 13 e quindi esporre le prime aperture 15 e le seconda aperture 16, come mostrato in Figura 31, che corrisponde alla figura uno.

In particolare, questa fase di deep back etching del substrato 11 utilizza tecniche di micromachining.

In questo modo, viene ottenuto un dispositivo sensore di gas integrato 10, il quale comprende elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE, aventi una pluralità di aperture, 15a e 16a, così come ulteriori aperture, 15 e 16, realizzate nello strato di ossido 13 che ricopre il substrato 11 del dispositivo sensore di gas integrato 10, ed un’apertura principale 14 à ̈ realizzata nel substrato 11 in corrispondenza degli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE, in modo tale che le rispettive aree attive di questi elettrodi siano esposte all’aria ambientale.

Una forma di realizzazione alternativa del dispositivo sensore di gas integrato secondo la presente invenzione à ̈ illustrata in Figura 4, complessivamente indicato con 10’.

Ad elementi strutturalmente e/o funzionalmente uguali rispetto al dispositivo sensore di gas integrato descritto con riferimento alle Figure 1, 2 e 3A-3I, verranno utilizzati medesimi riferimenti numerali e la descrizione dettagliata degli stessi verrà evitata per semplicità.

Il dispositivo sensore di gas integrato 10’ secondo questa forma di realizzazione alternativa in particolare comprende una pluralità di aperture del tipo a trench 15c e 16c realizzate in uno strato di substrato lavorato come il substrato 11’ in corrispondenza delle aperture realizzate negli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE, ed in particolare le aperture 15a e 16a, e le ulteriori aperture realizzate nello strato di ossido 13, in particolare le ulteriori aperture 15 e 16.

È quindi evidente che, anche secondo questa forma di realizzazione alternativa, il dispositivo sensore di gas integrato 10’ comprende elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE, aventi una pluralità di aperture, 15a e 16a, così come ulteriori aperture, 15 e 16, realizzate nello strato di ossido 13 che ricopre il substrato 11 del dispositivo sensore di gas integrato 10’ e aperture del tipo a trench 15c e 16c, realizzate nel substrato 11' in corrispondenza degli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE, in modo tale che le rispettive aree attive di questi elettrodi siano esposte all’aria ambientale.

Come precedentemente descritto con riferimento alla Figura 1 , il dispositivo sensore di gas integrato 10’ comprende parimenti una porzione di strato di elettrolita 17A ottenuta da uno strato di elettrolita 17 e che ricopre l’elettrodo di lavoro WE, l’elettrodo di conteggio CE e l’elettrodo di riferimento RE, così come una porzione di strato di idrogel 18A ottenuta da uno strato di idrogel 18 e posizionata sulla porzione di strato di elettrolita 17A, la porzione di strato di idrogel 18A agendo come una riserva di acqua "allo stato quasi solido†per il dispositivo sensore di gas integrato 10’.

Inoltre, uno strato di copertura 19 può essere realizzato, ricoprente la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A ed essendo conformato come una U inversa o secondo un’altra forma adatta ad ottenere un volume chiuso che contenga la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A.

Gli stessi materiali e dimensioni possono essere utilizzati per gli elementi e strati corrispondenti rispetto a quanto descritto con riferimento alla precedente forma di realizzazione.

Inoltre, il dispositivo sensore di gas integrato 10’ secondo questa forma di realizzazione alternativa può essere ottenuto da un flusso di processo che à ̈ adatto ad essere implementato secondo gli attuali processi di fabbricazione e le tecnologie per integrare dispositivi elettronici, come illustrato nelle Figure 5A-5I.

Anche in questo caso, gli stessi riferimenti numerali saranno utilizzati per elementi e strati corrispondenti e la descrizione dettagliata delle fasi del metodo corrispondenti non sarà ripetuta per questione di semplicità, in particolare le fasi illustrate nelle Figure da 5A a 5D, che corrispondono alle fasi illustrate nelle Figure da 3A a 3D.

Secondo questa forma di realizzazione alternativa, dopo la fase di etching dello strato di ossido 13 tale da aprire le prime e seconde aperture 15 e 16 nello strato di ossido 13 in corrispondenza con le terze e quarte aperture 15a e 16a degli elettrodi di lavoro e di conteggio, WE e CE, il processo comprende una fase di realizzazione di trench profondi 15b e 16b mediante ulteriore etching del substrato 11 in corrispondenza con le prime e seconde aperture 15 e 16 dello strato di ossido 13.

In particolare, questa fase di realizzazione dei trench profondi 15b e 1 6b nel substrato 11 comprende una fase di etching profondo a ioni reattivi che utilizza una stessa maschera litografica che à ̈ quella utilizzata per ottenere le prime e seconde aperture 15 e 16 nello strato di ossido 13 mediante etching profondo (deep etching) sempre nello strato di substrato di silicio 11 fino ad una data profondità D, ad esempio dell’ordine di 80-120 micron, come illustrato nella Figura 5E.

In particolare, lo strato di etching profondo a ioni reattivi realizza trench profondi 15b e 16b aventi la stessa dimensione forma delle aperture 15a e 16a degli elettrodi di lavoro e di conteggio WE e CE.

Come illustrato in Figura 5F, il processo comprende quindi una fase di deposizione di uno strato di elettrolita 17 sullo strato di ossido 13 Ã ̈ una fase di deposizione di uno strato di idrogel 18 sullo strato di elettrolita 17.

Il processo comprende quindi una fase di etching dello strato di elettrolita 17 e dello strato di idrogel 18, in maniera da ottenere la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A, come illustrato in Figura 5G.

Quindi, il processo comprende una ulteriore fase di deposizione dello strato di copertura 19, che ricopre la porzione di strato di elettrolita 17A e la porzione di strato di idrogel 18A, come illustrato in Figura 5H.

A questo punto, il processo comprende una fase di esposizione delle aree attive degli elettrodi di lavoro e di conteggio WE e CE ad un’aria ambientale, come illustrato in Figura 51.

In particolare, secondo questa forma di realizzazione dell’invenzione, il processo comprende una fase di macinazione posteriore (back-grinding) per rimuovere parte del substrato 11 che viene assottigliato fino ad uno strato di substrato assottigliato che agisce come substrato 11' per il dispositivo sensore di gas integrato 10’. In particolare, la fase di macinazione posteriore à ̈ realizzata fino a raggiungere i trench profondi 15b e 16b e così realizzare le aperture del tipo a trench 15c e 16c dal lato posteriore del substrato 11. In tal modo le aperture del tipo a trench 15c e 16c e le corrispondenti aperture 15 e 16 realizzate nello strato di ossido 13 e le aperture 15a e 16a dell' elettrodo di lavoro WE e dell’elettrodo di conteggio CE formano un percorso per un flusso di gas dal lato posteriore del dispositivo sensore di gas integrato 10’ fino alle aree attive WEa e CEa dell’elettrodo di lavoro WE e dell’elettrodo di conteggio CE, come mostrato anche in Figura 4, che corrisponde alla Figura 51.

In sostanza, secondo le forme di realizzazione dell’invenzione, viene realizzato un dispositivo sensore di gas integrato, detto dispositivo essendo miniaturizzato ed ottenuto mediante un flusso di processo che à ̈ compatibile con i processi di fabbricazione attualmente utilizzati per integrare dispositivi elettronici.

Il dispositivo sensore di gas integrato ha una risposta rapida, grazie alla presenza degli ingressi per gas, tramite l’apertura principale e le prime e seconde aperture, sul retro del dispositivo. In tal modo, il gas rilevato, in particolare monossido di carbonio (CO) si diffonde dall'aria ambientale verso la superficie degli elettrodi.

Come già sottolineato, la struttura permeabile all’gas comprende opportune aperture in corrispondenza dell’elettrodo di lavoro WE e dell’elettrodo di conteggio CE, ma tutti gli elettrodi, anche l’elettrodo di riferimento RE, sono realizzati mediante medesime fasi di deposizione ed etching, contemporaneamente.

Ulteriormente, l’elettrodo di lavoro WE e l’elettrodo di conteggio CE possono avere una forma a griglia, in particolare una forma a griglia esagonale, adatta ad ottimizzare l’efficienza dell’elettrodo.

Infine, il dispositivo sensore di gas integrato comprende anche una porzione di strato di idrogel depositata su una porzione di strato di elettrolita e che agisce come una riserva di acqua “quasi solida†.

Per un rilevamento ottimale di CO, viene utilizzato uno strato di elettrolita fatto di Nafion® e l’idrogel viene scelto tra 2-idrossietilmetacrilato (HEMA) e glicole etilenico dimetacrilato (EGDM), alcol polivinilico (PVA), polietilene glicol diacrilato (PEG-DA).

Ovviamente un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti al dispositivo sensore di gas integrato ed al corrispondente processo di fabbricazione sopra descritti, tutte comprese nell'ambito di protezione dell'invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (38)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') comprendente un substrato di silicio (11, 11') ed uno strato di ossido (13) su detto substrato di silicio (11, 11'), nonché un elettrodo di lavoro (WE), un elettrodo di conteggio (CE) ed un elettrodo di riferimento (RE), su detto strato di ossido (13), detto elettrodo di lavoro (WE) e detto elettrodo di conteggio (CE) avendo rispettive aree attive (WEa, CEa) esposte ad un’aria ambientale mediante almeno una pluralità di prime aperture (15) ed una pluralità di seconde aperture (16) in detto strato di ossido (13) in corrispondenza di detto elettrodo di lavoro (WE) e di detto elettrodo di conteggio (CE), caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una porzione di strato di elettrolita (17A) ed una porzione di strato di idrogel (18A) su detta porzione di strato di elettrolita (17A), dette porzioni di strato di elettrolita e di idrogel (17A, 18A) avendo una stessa dimensione, adatta a ricoprire almeno detti elettrodi di lavoro, di conteggio e di riferimento (WE, CE, RE), detta porzione di strato di idrogel (18A) agendo come una riserva di acqua "allo stato quasi solido".
2. 2. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) hanno forme a griglia comprendenti rispettive pluralità di terze e quarte aperture (15a, 16a).
3. 3. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10’) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) hanno forme a griglia esagonale.
4. 4. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta porzione di strato di elettrolita (17A) riempie dette terze aperture (15a) di detto elettrodo di lavoro (WE) e dette quarte aperture (16a) di detto elettrodo di conteggio (CE).
5. 5. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10’) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta porzione di strato di elettrolita (17A) ha una adesione favorita su detto strato di ossido (13).
6. 6. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10’) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette prime e seconde aperture (15, 16) e dette terze e quarte aperture (15a, 16a) sono posizionate in maniera allineata, in modo tale che ciascuna di dette prime aperture (15) à ̈ una prosecuzione in detto strato di ossido (13) di una corrispondente apertura di dette terze aperture (15a) e ciascuna di dette seconde aperture (16) à ̈ una prosecuzione in detto strato di ossido (13) di una corrispondente apertura di dette quarte aperture (16a).
7. 7. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette prime e seconde aperture (15, 16) hanno la stessa dimensione e forma di dette terze e quarte aperture (15a, 16a).
8. 8. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette prime e seconde aperture (15, 16) hanno dimensione e forma più piccole di dette terze e quarte aperture (15a, 16a).
9. 9. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elettrodi di lavoro, di conteggio e di riferimento (WE, CE, RE) sono formati da almeno un primo metallo ed un secondo metallo, sovrapposti l’uno all’altro .
10. 10. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10’) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto primo metallo à ̈ titanio ed à ̈ ricoperto da detto secondo metallo che à ̈ platino.
11. 11. Il dispositivo sensore di gas integrato (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente un’apertura principale (14) realizzata in detto substrato di silicio (1) così da raggiungere detto strato di ossido (13) e dette prime e seconde aperture (15, 16) di detto strato di ossido (13), così da esporre dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE), rispettivamente, al'aria ambientale.
12. 12. Il dispositivo sensore di gas integrato (10) secondo la rivendicazione 11 , caratterizzato dal fatto che detta apertura principale (14) Ã ̈ rastremata ed ha una dimensione trasversale che diminuisce a partire da detto substrato di silicio (11), fino a detto strato di ossido (13).
13. 13. Il dispositivo sensore di gas integrato (10’) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una pluralità di aperture del tipo a trench (15c, 16c) realizzate in detto substrato (11’) in corrispondenza di dette prime e seconde aperture (15, 16) realizzate in detto strato di ossido (13).
14. 14. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10’) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che dette aperture del tipo a trench (15c, 16c) di detto substrato di silicio (11') hanno la stessa dimensione e forma di dette prime e seconde aperture (15, 16) di detto strato di ossido (13).
15. 15. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente uno strato di copertura (19), che ricopre detta porzione di strato di elettrolita (17A) e detta porzione di strato di idrogel (18A) ed in contatto con le stesse ed anche con detto strato di ossido (13).
16. 16. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detto strato di copertura (19) à ̈ conformato come una U inversa o secondo un’altra forma adatta ad ottenere un volume chiuso che contiene detta porzione di strato di elettrolita (17A) e detta porzione di strato di idrogel (18A).
17. 17. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta porzione di strato di elettrolita (17A) comprende un sistema acquoso di acidi, basi e sali, un elettrolita polimerico, un sistema non acquoso come il carbonato di propilene, il perclorato di litio, l’ossido di polietilene, il cloruro di litio, liquidi ionici.
18. 18. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta porzione di strato di elettrolita (17A) Ã ̈ fatta di Nailon®, un fluoropolimero-copolimero basato su tetrafluoretilene solfonato prodotto da Dupont.
19. 19. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta porzione di strato di idrogel (18A) comprende un idrogel elettrolitico, che combina detta porzione di strato di elettrolita (17A) e detta porzione di strato di idrogel (18A) in un singolo strato avente le funzionalità di entrambi gli strati di elettrolita e di idrogel.
20. 20. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detto idrogel elettrolitico à ̈ scelto tra 2-idrossietilmetacrilato (REMA) e glicole etilenico dimetacrilato (EGDM), alcol polivinilico (PVA), polietilene glicol diacrilato (PEG-DA).
21. 21. Il dispositivo sensore di gas integrato (10, 10') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto strato di ossido (13) Ã ̈ uno strato di ossido di silicio.
22. 22. Un processo di fabbricazione di un dispositivo sensore di gas integrato (10, 10’) comprendente le fasi di: deposizione di uno strato di ossido (13) su un substrato di silicio (11, 11’); deposizione di un primo strato metallico (20) su detto strato di ossido (13) e di un secondo strato metallico (21) su detto primo strato metallico (20); conformazione (patteming) di detto primo strato metallico (20) e di detto secondo strato metallico (21) per definire un elettrodo di riferimento (RE), un elettrodo di lavoro (WE) ed un elettrodo di conteggio (CE) di detto dispositivo sensore di gas integrato (10, 10'), tutti simultaneamente, detta fase di conformazione definendo anche rispettive aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE); etching di detto strato di ossido (13) e definizione di rispettive ulteriori aperture (15, 16) in detto strato di ossido (13), in corrispondenza di dette aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) formando rispettive aree attive (WEA, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) con una forma a griglia; deposizione di uno strato di elettrolita (17) su detto strato di ossido (13); deposizione di uno strato di idrogel (18) su detto strato di elettrolita (17); - etching di detto strato di elettrolita (17) e di detto strato di idrogel (18) per ottenere una porzione di strato di elettrolita (17A) ed una porzione di strato di idrogel (18A) aventi una stessa dimensione, adatta a coprire almeno detti elettrodi di lavoro, di conteggio e di riferimento (WE, CE, RE), detta porzione di strato di idrogel (18A) agendo come una riserva di acqua “allo stato quasi solido†di detto dispositivo sensore di gas integrato (10, 10'); e esposizione di dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) ad un’aria ambientale.
23. 23. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di etching di detto strato di ossido (13) comprende un processo fotolitografico che utilizza una maschera litografica per definire dette ulteriori aperture (15, 16) in detto strato di ossido (13) aventi una dimensione e forma più piccole di dette aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE).
24. 24. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di etching di detto strato di ossido (13) utilizza detti primo e secondo strato metallico (20, 21), già conformati, come hardmask combinata con una ulteriore maschera per definire dette ulteriori aperture (15, 16) in detto strato di ossido (13) aventi la stessa dimensione e forma di dette aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE).
25. 25. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione di detto strato di elettrolita (17) riempie dette aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE), completando così dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE), rispettivamente.
26. 26. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di conformazione di detto primo strato metallico (20) e di detto secondo strato metallico (21) definisce aperture (15a, 16a) aventi una forma esagonale.
27. 27. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione di uno strato di elettrolita (17) comprende una fase di rivestimento per rotazione.
28. 28. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 27, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione di uno strato di elettrolita (17) Ã ̈ seguita da una fase di ricottura (annealing) ad una temperatura di 140°C e da una fase di immersione in acido solforico ad una temperatura di 90°C e con una concentrazione di 0.5M.
29. 29. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di trattamento superficiale con alcano silani di detto strato di ossido (13) che à ̈ realizzata prima di detta fase di deposizione di detto strato di elettrolita (17).
30. 30. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione di uno strato di idrogel (18) comprende una fase di rivestimento per rotazione.
31. 31. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 30, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione di uno strato di idrogel (18) Ã ̈ seguita da una fase di immersione in acqua ad una temperatura di 90 °C.
32. 32. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione di detti primo strato metallico (20) e secondo strato metallico (21) deposita un primo strato metallico (20) di titanio avente uno spessore tra 5 e 30 nm, preferibilmente uguale a 20 nm, ed un secondo strato metallico (21) di platino avente uno spessore tra 80 e 120 nm, preferibilmente uguale a 100 nm.
33. 33. Il processo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 22-32, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una fase di deposizione di uno strato di rivestimento (19), che ricopre detta porzione di strato di elettrolita (17A) e detta porzione di strato di idrogel (18A).
34. 34. Il processo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 22-33, caratterizzato dal fatto che detta fase di esposizione di dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) allaria ambientale comprende una fase di: etching profondo sul retro (deep back etching) di detto substrato di silicio (11) per definire un’apertura (14) in detto substrato di silicio (11) che raggiunge detto strato di ossido (13) e dette ulteriori aperture (15, 16) in corrispondenza di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE).
35. 35. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 34, caratterizzato dal fatto che detta fase di deep back etching di detto substrato di silicio (11) utilizza tecniche di micromachining.
36. 36. Il processo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 22-33, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente, prima di detta fase di esposizione di dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) all’aria ambientale, una fase di etching ulteriore di detto substrato di silicio (11) e di realizzazione di trench profondi (15b, 16b) in corrispondenza di dette aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE).
37. 37. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 36, caratterizzato dal fatto che detta fase di esposizione di dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE) all’aria ambientale comprende la fase di: macinazione posteriore (back grinding) di detto substrato (11’) per rimuovere una parte dello stesso da un lato opposto a detto strato di ossido (13) finché detti trench profondi (15b, 16b) sono completamente aperti all’aria ambientale, così da formare aperture del tipo a trench (15c, 16c) che formano, con dette aperture (15, 16) di detto strato di ossido (13) e dette ulteriori aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE), un percorso per un flusso di gas verso dette aree attive (WEa, CEa) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE).
38. 38. Il processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 37, caratterizzato dal fatto che detta fase di realizzazione di detti trench profondi (15b, 16b) in detto substrato (11) comprende una fase di etching profondo a ioni reattivi che utilizza una stessa maschera litografica utilizzata per ottenere dette aperture (15, 16) in detto strato di ossido (13), così da ottenere trench profondi (15b, 16b) aventi le stesse dimensione e forma di dette ulteriori aperture (15a, 16a) di detti elettrodi di lavoro e di conteggio (WE, CE).