B8378 - SENSORI ELETTRONICI INTELLIGENTI LM

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente conosce una metodologia generale di progettazione della catena di acquisizione sensoristica e non vincolata ad una particolare tassonometria. In particolare, lo studente conosce l’ottimizzazione della risoluzione, banda e consumo di potenza dell’intero processo, dalla trasduzione alla conversione A/D fino all’implementazione della scelta decisionale mediante Machine Learning. Vengono mostrati esempi applicativi che mostrano sensoristica intelligente con modelli predittivi embedded.

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)

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.

• 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;
• Tecniche spettroscopiche

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.

 

 

Alle Studentesse e agli Studenti con DSA o disabilità temporanee o permanenti si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile, all'indirizzo https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it). Sarà cura dell'ufficio proporre eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/la docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Tartagni