MICRO AND NANO SENSORS

Il corso ha l'obiettivo di fornire nozioni di base ed avanzate relative ai sensori, ai meccanismi di trasduzione ed alla realizzazione di dispositivi di misura integrati realizzati con micro e nano tecnologie. Infine si approfondiranno le tematiche relative ai circuiti di condizionamento dei segnali prodotti dai sensori e quelle relative alla caratterizzazione metrologica dei sensori realizzati.

Ampio spazio sarà dedicato all'attività sperimentale in laborario su casi di studio concreti relativi alle diverse fasi di sviluppo e caratterizzazione dei sensori integrati.

A conclusione del corso gli studenti avranno conoscenza delle metodologie di sensing principali e delle tecnologie di fabbricazione.

Le nozioni acquisite nel corso consentiranno di identificare la strategia di sensing più opportuna per il problema proposto, di scegliere la tecnologia di fabricazione più appropriata, di progettare il micro o nano sensore interfacciandosi con i tecnologi di processo grazie alle nozioni acquisite sulle tecnologie di fabbricazione e di effettuare la caratterizzazione metrologica del sensore realizzato.

Conoscenza e comprensione

Lo studente acquisirà la conoscenza delle metodologie di definizione dell'intero sistema di misura, includendo la catena di trasduzione, i sensori, i circuiti di condizionamento. Particolare attenzione verrà posta all'identificazione delle grandezze interferenti e modificanti ed alle metodologie di compensazione. Infine verranno affrontate tematiche relative ai processi tecnologici di fabbricazione di micro e nano dispositivi. Diverse applicazioni verranno studiate con riferimento a sensori per grandezze sia di natura elettrica sia di natura non elettrica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Alla fine del corso gli studenti avranno le competenze necessarie ad analizzare un sistema di misura, identificandone le sezioni e le funzionalità principali. Gli studenti avranno le competenze necessarie alla progettazione di sensori e trasduttori in tecnologia integrata (MEMS), alla caratterizzazione dei sistemi e dei processi, alla progettazione dei sistemi di misura, alla valutazione delle grandezze interferenti e modificanti ed alla messa a punto delle misure di compensazione.

Autonomia di giudizio

Gli studenti acquisiranno autonomia di giudizio e adeguata maturità per una accurata analisi dei problemi di misura e per la definizione e la progettazione di micro e nano sensori realizzati in tecnologia integrata. Tali capacità saranno affinate anche attraverso attività sperimentali svolte in laboratorio.

Abilità comunicative

Lo studente rafforzerà il linguaggio tecnico della metrologia, delle misure e delle misurazioni con l'obiettivo di potersi adeguatamente presentare sul mondo del lavoro con adeguate competenze ed un adeguato profilo tecnico. La capacità di lavorare in gruppo sarà affinata attraverso le esperienze sperimentali in laboratorio svolte in piccoli gruppi. La stesura della relazione di laboratorio e l’esame orale consentiranno di affinare il linguaggio tecnico e le capacità comunicative.

Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze di misure elettriche ed elettroniche e dei sensori attraverso l’approfondimento dei testi di riferimento, su articoli di riviste scientifiche specializzate e tramite gli spunti offerti dalle attività seminariali organizzate all’interno dell’insegnamento.

L'insegnamento è composto sia da lezioni frontali sia da esercitazioni sperimentali in laboratorio volte a acquisire esperienza diretta di problematiche di misure e sensori affrontando problemi concreti relativi alle differenti fasi di sviluppo dei sensori mettendo in pratica gli insegnamenti teorici, le metodologie studiate e le competenze acquisite. Quando possibile, seminari specialistici tenuti da ricercatori provenienti da ambienti industriali e/o accademici nazionali ed internazionali saranno organizzati e proposti agli studenti.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus

Conoscenze di elementi di elettrotecnica, fisica, elettronica

- consigliata

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.

- 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
• E. O. Doebelin, Strumenti e metodi di misure, McGraw-Hill

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

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Oral interview

Learning assessment may also be carried out on line, should the conditions require it.

- Discutere le problematiche legate alla riduzione delle dimensioni nei sensori

- Esempio di progettazione di un accelerometro in tecnologia integrata


- Scaling issues in microsensors
- MEMS scale accelerometers: model, design parameters and fabrication technologies