MICRO E NANO SENSORI

Anno accademico 2017/2018 - 2° anno
Docente: Salvatore BAGLIO
Crediti: 9
SSD: ING-INF/07 - Misure elettriche e elettroniche
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 146 di studio individuale, 49 di lezione frontale, 30 di esercitazione
Semestre:
ENGLISH VERSION

Obiettivi formativi

Fornire le nozioni di base ed avanzate relative ai sensori ed ai trasduttori integrati realizzati con micro e nano tecnologie

Prerequisiti richiesti

- elettronica

- fisica


Frequenza lezioni

- consigliata


Contenuti del corso

Il corso intende fornire approfondire le conoscenze relative ai sistemi avanzati di misura. In particolare verranno trattati i sensori ed sistemi di traduzione nelle loro realizzazioni con tecnologie integrate; si parlerà quindi di sensori e trasduttori realizzati con micro e nano tecnologie (MEMS e NEMS).

Verranno presentate le tecnologie tipicamente adottate per la realizzazione dei microsistemi.

Verranno discussi i materiali tipicamente utilizzati nella microlavorazione del silicio per la realizzazione di micro e nano sensori includendo materiali e tecnologie non convenzionali.

Verranno presentate le metodologie di progetto e gli strumenti CAD necessari per la progettazione e la simulazione dei sistemi integrati di misura.

I concetti discussi in precedenza verranno applicati allo studio di alcuni dispositivi quali sensori di pressione, accelerometri, giroscopi, sensori magnetici, sensori chimici.

Si studieranno metodologie e tecnologie di sviluppo di nano sensori.

Sono previste due attività di laboratorio: metodologie di progetto e di simulazione di micro sensori integrati utilizzando strumenti CAD; sviluppo e/o caratterizzazione di specifici sensori e sistemi di misura.

A conclusione dell’attività sperimentale gli studenti dovranno presentare una breve relazione scritta che sarà parte integrante della prova d’esame.

 

Programma

Introduzione ai microsistemi.

La problematica dello “scaling” per la riduzione delle dimensioni dei dispositivi integrati.

Tecnologie di lavorazione dei microsistemi

Materiali per microsistemi. Il silicio come materiale da costruzione. “Bulk processes”: tecniche di mcrolavorazione (etching). “Surface processes”, deposizione di film spessi e film sottili. “Sacrificial processes” e problemi di “stiction”.

Trasduttori elettro-meccanici integrati

Introduzione ai concetti di base della meccanica dei solidi. proprietà meccaniche dei materiali. Elasticità, rigidità, modulo di Young, stress & strain, flessioni, momento di inerzia, teoremi castigliano, strutture stratificate, strutture in serie e parallelo,

Il cantilever, U-shaped cantilever, Il piatto sospeso a molle, trasduttori capacitivi interdigitali.

Strumenti per la simulazione e design di microsistemi

Il CAD (MEMSPRO), esempi di produzione e generazione di layout, simulazione multi-dominio, esempi di progettazione di strutture integrate in tecnologie standard e dedicate.

Strumentazione per la caratterizzazione di micro sensori

Cenni sul microscopio AFM, cenni sul microscopio elettronico SEM

Studio di dispositivi MEMS

Tecnologia CMOS standard per la realizzazione di microsistemi, tecnologia MUMPS (SOI), esempi di tecnologie dedicate

Meccanismi di traduzione: piezo resistivo, piezo elettrico, elettro-statico, termico, magnetico (forza di Lorenz).

Sensori integrati ed esempi di progettazione: strain gages, accelerometri, giroscopi, sensori di pressione, trasduttori di temperatura integrati, sensori ad effetto hall.

Sistemi microfluidici

Panoramica di sensori non convenzionali e materiali per trasduttori

Trasduttori ferrofluidici, Sensori basati su materiali ferroelettrici e ferromagnetici, Trasduttori basati su materiali piezo-elettrici, Metodologie e sistemi per energy harvesting

Nanotecnologie e nano sensori

Nano litografia, Tecniche di deposizione di film sottili, microscopio elettronico Focused Ion Beam, nano sensori.

Laboratorio

Nell’ambito del corso verranno discusse ed assegnate a gruppi di studenti attività sperimentali di laboratorio relative allo studio ed allo sviluppo di prototipi sperimentali di sensori e sistemi di misura per applicazioni diverse.


Testi di riferimento

-Appunti individuali di lezione

-Lucidi presentati dal Docente

-Testi:

  • Webster, Pallas-Areny, “Sensors and signal conditioning”, Wiley, 2002
  • G. T. A. Kovacs, “Micromachined transducers sourcebook”, Mc-Graw Hill, 1998
  • M. Madou, Fundamentals of microfabrication, CRC Press


Programmazione del corso

 *ArgomentiRiferimenti testi
1*tecnologie di micro-fabbricazioneM. Madou, Fundamentals of microfabrication, CRC Press 
2*scalingM. Madou, Fundamentals of microfabrication, CRC Press 
3*principi di trasduzioneG. T. A. Kovacs, “Micromachined transducers sourcebook”, Mc-Graw Hill, 1998 
* Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame.

N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame.

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Colloquio orale sui contenuti del corso e sull'attività sperimentale di laboratorio


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

- Discutere le problematiche legate alla riduzione delle dimensioni nei sensori

- Esempio di progettazione di un accelerometro in tecnologia integrata