93929 - SENSORS AND NANOTECHNOLOGY

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente matura conoscenze di base per la comprensione e l’utilizzo dei trasduttori e delle relative interfacce elettroniche. In particolare lo studente impara ad affrontare l’argomento da un punto di vista sistemistico, enfatizzando gli elementi comuni delle diverse tipologie di sensori ed in merito alla loro valutazione e caratterizzazione. Gli strumenti sono focalizzati all’esigenza di un continuo sviluppo tecnologico in grado di soddisfare le crescenti esigenze della progettazione nel campo dell’elettronica, delle telecomunicazioni e dell’Ingegneria biomedica. Le conoscenze saranno anche mirate a conoscere le moderne tecniche di fabbricazione nel campo della nanotecnologia e delle tecniche di laboratorio utili ad analizzare le strutture nanometriche, di crescente importanza nel campo delle tecnologie sensoristiche.

Contenuti

PARTE SENSORI e ATTUATORI (6 CFU)

Questa prima parte del corso e' orientata allo studio della progettazione di interfacce elettroniche per sensori ed all'analisi di tali interfacce in presenza di rumore.

• Introduzione a corso, esempi di ricerca internazionale sugli argomenti relativi alla sensoristica

▪ Sensori come black-box. Concetto di sensibilita'. Approssimazioni del primo ordine e sensibilita' relativa.

▪ Misure, concetti di incertezza e misure. Precisione, accuratezza risoluzione.

▪ Legge di degrado della risoluzione in una catena di acquisizione.

▪ Richiami di segnali aleatori. Valore quadratico medio e valore efficace, varianza e la deviazione standard. Densita' spettrale di potenza di variabili aleatorie correlate e scorrelate.

▪ Sovrapposizione degli effetti di potenza di variabili aleatorie scorrelate. Concetti di fondo scala e dinamica.

▪ Origini di meccanica statistica del rumore: il rumore browniano e molecolare. Esempio del sensore meccanico di pressione. Relazioni con la risoluzione ed il fondo scala (full-scale).

▪ Rumore nei componenti elettronici. Rumore termico e sua derivazione.

▪ Processi poissiniani. Shot noise e sua derivazione. Densita' spettrale di potenza dello shot noise.

▪ Rumore equivalente di ingresso. Rumore equivalente di ingresso nel BJT.

▪ Flicker noise. Origini fisiche del rumore flicker. Rumore RTS e spettri Lorenziani. Rumore flicker come sovrapposizione di spettri Lorenziani.

▪ Rumore nei dispositivi MOS. Esempio di calcolo di rumore equivalente in ingresso di un amplificatore. Concetto di banda equivalente di rumore. Rapporto segnale-disturbo equivalente in ingresso ed in uscita. Spettri di rumore composti rosa e bianchi.

▪ Analisi di una catena di acquisizione sensoristica. Calcolo del numero di livelli equivalente. Probabilita' di errore tra livelli adiacenti. Rapporto tra la probabilita' di errore e range dinamico.

▪ Rumore negli amplificatori operazionali. Caso generale.

▪ Interfacce sensori resistivi. Il ponte di Wheatstone e relativa sensibilita'.

▪ Diverse configurazioni del ponte di Wheatstone. Interfacce dei sensori resistivi con microcontrollori. Misure a rapporto.

▪ Strain-gauges. Strain-gauges per misure a semiponte e ponte intero. Sensori resistivi di temperatura. RTD e PRT.

▪ Termistori, NTC e PTC. Sensori resistivi magnetici. Introduzione ai sensori capacitivi. Matrice di capacita'. Kelvin guard ring.

▪ L'amplificatore di carica. Sensing capacitivo differenziale. Principi di accelerometri capacitivi.

▪ Rumore dell'amplificatore di carica. Correlated double sampling (CDS).

▪ Misure sensoristiche in catena aperta ed in retroazione. Il convertitore Sigma-Delta. Filtro decimatore. Principio del sovracampionamento.

▪ Principi di lock-in e chopper sensing. Misure di impedenze complesse mediante strutture a lock-in.

▪ Introduzione ai sensori ottici. Il fotodiodo. Lettura da fotodiodi in storage mode in carica ed in tensione.

▪ Reti di sensori e protocolli di comunicazione.

▪ Strutture di sensori ottici a matrice. Sensori CMOS passivi (PPS) e attivi (APS). APS con correlated doble sampling. Sensori CCD, metodi di funzionamento e tipologie. Preospettive della tecnologia per sensori ottici.

▪ Teoria del colore e filtri colore per sensori ottici

▪ Elementi di teoria dell'informazione applicata alla sensoristica

PARTE NANOTECNOLOGIE (3 CFU)

AGGIORNAMENTO: QUESTA PARTE SARA' TENUTA IN LINGUA INGLESE

Questa seconda parte si propone di fornire gli strumenti teorici fondamentali per comprendere i principi di trasduzione sensoristica che intervengono a scala micrometrica e nanometrica. Un'ultima parte trattera' i principi di interazione delle radiazioni con la materia come elementi fondamentali per comprendere i moderni strumenti di indagine del laboratorio biomedico basati sui principi di scattering (Raman spectroscopy, etc.). Infine, saranno mostrate tecniche di base per l'atomic force microscopy.

• Trasduzione fotone-elettrone. Interazione flusso fotonico/materia. Sensibilita' spettrale ed efficienza quantica;
• Trasduzione ione-elettrone. Interfaccia metallo liquido, e stati di interfaccia. Caratteristiche impedimetriche dell'interfaccia;
• Effetti di polarizzazione elettrica e magnetica della materia.
• Principi di piezoelettricita' e trasduzione dell'energia meccanica;
• Nanosensori: nanopori, nanotubi, nanowires, cantilevers, bolometers;
• Strumenti: microscopio ottico ed elettronico; principi di Atomic Force Microscope (AFM) e tecnologie correlate;
• Strumentazione basata sui principi di scattering (Raman spectroscopy etc.)

Testi/Bibliografia

TESTO BASE:

M. Tartagni, Electronic Sensor Design Principles, Cambridge Press, 2021

------------------------------------------------------------------------------------

TESTI DI CONSULTAZIONE:

Physical principles:

R. Feynman et al., The Feynman Lectures on Physics, Addison Wesley, 1963

Noise:

P. Gray, R. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Wiley 1993

B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2000

Electrochemistry/Electrokinetics:

J. Bockris, A. Reddy, Modern Electrochemistry-2 Electrodics, Plenum, 1998

H. Morgan, N. Green, AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles, RSP Press, 2001

Microfluidics & Microfabrication:

M. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 2002

N.T. Nguyen, S. Wereley, Fundamentals and Application of Microfluidics, Artech, 2002

Sensors & signal conditioning:

R. Pallas-Areny, J. Webster Sensors and Signal Conditioning, Wiley, 2001

A/D - D/A conversion:

D. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1997

Metodi didattici

Lezioni frontali. Il testo di base e le slides di ogni lezione sono in lingua inglese e disponibili su iol.unibo.it - Il corso da 6CFU e' in lingua italiana per il solo motivo che il corso e' mutuato da quello obbligatorio della Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni per l'Energia che deve essere in lingua italiana. La parte da 3CFU SARA' TENUTA IN LINGUA INGLESE.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame consiste in un colloquio orale di 40-60m su entrambi i moduli didattici. Particolarmente valutate saranno le capacitа critiche dello studente sugli argomenti del programma e nelle sue capacita’ di contestualizzare e argomentare i concetti. L'esame potra’ essere svolto in lingua italiana o inglese. In entrambi i casi saranno valutate l’appropriatezza della terminologia utilizzata dallo studente.

Strumenti a supporto della didattica

Il testo di base e le slides di ogni lezione sono in lingua inglese e queste ultime disponibili su virtuale.unibo.it

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Tartagni