RICERCA ITALIANA     

Microsensori, tecniche e circuiti elettronici per sistemi di trasduzione in tecnologie "Si-based" non convenzionali

Università degli Studi di Brescia

Abstract

Il programma di ricerca riguarda sensori e sistemi di trasduzione per applicazioni, di rilevante interesse industriale, tipicamente precluse all'utilizzo di tecnologie, dispositivi e architetture di tipo tradizionale, ma affrontabili tramite metodi, dispositivi e sistemi realizzati con l'apporto di tecnologie non convenzionali.
L'attività sarà focalizzata sullo studio e lo sviluppo di:
1) Sistemi di trasduzione basati su microrisonatori per la misura di deformazione mediante tecniche a variazione di frequenza di risonanza e interrogazione contactless, da impiegarsi come elementi primari per la trasduzione di grandezze quali pressione, forza,
accelerazione, temperatura, con particolare riguardo al funzionamento in campo di temperatura esteso.
2) Sensori magnetici a elevata sensibilità di tipo flux-gate in tecnologia del silicio combinata con la deposizione di strati aggiunti con proprietà magnetiche adeguate.
Il progetto prevede la realizzazione di dimostratori che includeranno gli elementi sensibili e i relativi circuiti elettronici di lettura ed elaborazione in forma integrata. I dimostratori saranno sottoposti a ampia caratterizzazione sperimentale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Andrea TARONI Università degli Studi di BRESCIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca riguarda in generale i sensori e i sistemi di trasduzione e si concentra in special modo sulle problematiche di grande attualità relative allo studio di metodi, dispositivi e sistemi per allargare l'ambito applicativo di sensori e sistemi di trasduzione in contesti operativi di tipico interesse industriale che precludono l'utilizzo di tecnologie, dispositivi e architetture di tipo tradizionale. Il quadro generale di riferimento comprende situazioni in cui sia necessario prelevare l'informazione di misura relativa a uno o più misurandi quando sussistano una o più delle seguenti condizioni:
-Incompatibilità, per esempio per ragioni termiche, con l'utilizzo di silicio nel sensore e nei circuiti microelettronici associati, conconseguente impossibilità di collocare blocchi attivi per l'elaborazione elettronica dei segnali all'interno della testa di misura e necessità di ricorrere a metodi di trasduzione e elementi sensibili di tipo passivo
-Limitata accessibilità diretta del punto o della zona di misura, con conseguente incompatibilità con collegamento cablato enecessità di miniaturizzazione del sensore (per esempio sensori in package di prodotti/manufatti, sensori embedded in strutture/macchinari, sensori all'interno di organismi viventi,...)
-Necessità di arricchire le potenzialità offerte delle tecnologie tradizionali di microlavorazione del silicio mediante l'integrazionecon processi e materiali di tipo non convenzionale, funzionali alla realizzazione di microsensori innovativi con prestazioni e dediche applicative particolari In questo ambito, il presente progetto si propone di analizzare e sviluppare tecniche, dispositivi e circuiti per ottimizzare il prelievo del segnale cui è associata l'informazione di misura, contenere i disturbi e contemporaneamente minimizzare il consumo di potenza.
In particolare, il programma di ricerca si pone l'obiettivo di studiare, proporre e testare sperimentalmente dispositivi, tecniche e sistemi di trasduzione di grandezze fisiche, mediante la realizzazione di elementi sensibili basati sul silicio realizzati in tecnologie non convenzionali e/o per misure in ambienti a limitata accessibilità, o comunque incompatibili con soluzioni di tipo tradizionale. L'attività sarà focalizzata sullo studio delle tecniche e delle architetture per: 1) Sistemi di trasduzione basati su microrisonatori per la misura di deformazione mediante tecniche a variazione di frequenza di risonanza e interrogazione contactless, da impiegarsi come elementi primari in un certo numero di trasduttori di potenziale interesse, per esempio di pressione, forza, accelerazione, temperatura, con particolare riguardo al funzionamento in campo di temperatura esteso. 2) Sensori magnetici a elevata sensibilità di tipo flux-gate in tecnologia del silicio combinata con la deposizione di strati aggiunti con proprietà magnetiche adeguate. L'obiettivo si concretizzerà nella realizzazione di dimostratori che includeranno gli elementi sensibili e i relativi circuiti elettronici di lettura ed elaborazione in forma integrata. I dimostratori saranno sottoposti a ampia caratterizzazione sperimentale.
Le Unità di Ricerca proponenti costituiscono un gruppo di lavoro con competenze affermate e complementari nell'ambito multidisciplinare del presente progetto, in grado di coprire adeguatamente aspetti relativi a microsensori e microsistemi, tecnologie, tecniche di trasduzione, metodi e architetture per l'elaborazione dei segnali di misura, circuiti e sistemi elettronici integrati analogici e digitali. L'attualità e il rilievo delle tematiche affrontate nel progetto hanno suscitato il riscontro di realtà industriali importanti ed affermate in campo nazionale e internazionale che si sono formalmente dichiarate interessate ai contenuti del programma di ricerca e ai risultati che potrà produrre. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il settore di ricerca e di sviluppo dei sensori e, più in generale, dei microsistemi, è uno tra i più dinamici nello scenario attuale delle tecnologie dell'informazione e interessa diversi campi applicativi fra cui quello industriale, medico, ambientale, dell'automobile e delle comunicazioni. Il motore principale è costituito dalle tecnologie della microelettronica che hanno contribuito e guidato la realizzazione di microsistemi MEMS permettendo di raggiungere elevati livelli di miniaturizzazione, consumi ridotti e funzionalità complesse[1-3]. L'elevato grado di maturità di tali tecnologie ha favorito uno sviluppo veloce ma ha anche messo in evidenza come, spesso, la stretta adesione ad una particolare tecnologia rappresenti un limite alla possibilità di estendere le potenzialità e le funzionalità dei microsensori in quanto è necessario rispettare vincoli stringenti sulla tipologia dei materiali adottati, sulle caratteristiche dei vari strati e sui processi di lavorazione. Spinti dalle specifiche esigenze del particolare sistema di misura, le caratteristiche dei microsistemi di trasduzione hanno comportato l'individuazione di soluzioni fortemente diversificate che hanno richiesto l'uso di tecnologie dedicate [4-7]. Beeby [4], per esempio, descrive l'uso combinato di tecniche di micromachining e di film spesso per il deposito di film spessi piezoelettrici su una struttura microlavorata in silicio realizzando una struttura risonante. Ripka [5] descrive la realizzazione di un sensore magnetico, utilizzabile anche come bussola, in cui la deposizione del materiale magnetico, mediante sputtering o electroplating, avviene in un passo intermedio del processo d'integrazione con alcune difficoltà che comportano realizzazioni successive in cui (Choi [6] ma anche Drljaca [7]) il deposito del materiale magnetico avviene in una fase successiva e separata da quella d'integrazione. Pertanto i microsensori e i microsistemi stanno evolvendo dall'ambito specifico della microlavorazione del silicio a quello più vasto delle tecnologie di microfabbricazione e microingegnerizzazione in generale, sebbene vengano introdotte nuove problematiche quali la robustezza dei dispositivi sviluppati rispetto ai parametri della particolare sequenza di processo ed in generale quelle di interconnessione e compatibilità con i dispositivi elettronici. Una tra le possibili specifiche applicazioni è quella in cui le particolari caratteristiche dell'ambiente della misura risultino incompatibili con le specifiche esigenze di funzionamento della microelettronica, e sono richieste soluzioni tecnologiche in cui l'elemento sensibile sia posto direttamente a contatto con il misurando mentre l'informazione di misura venga trasferita, mediante tecniche contactless, in altro ambiente compatibile con la microelettronica [8,9,15]. Si viene pertanto a delineare un sistema di trasduzione costituito da due camere una di misura e l'altra di condizionamento ed elaborazione. Date le caratteristiche della camera di misura, in cui può mancare una fonte di energia autonoma, l'elemento di trasduzione dovrà essere alimentato esternamente. Una possibile proposta è una microstruttura a risonanza elettrica o meccanica che agisca come un elemento primario di trasduzione di diverse grandezze fisiche, quali pressione, forza, accelerazione, temperatura. Akar [8] descrive un sensore di pressione assoluta, composto da un sensore capacitivo e una spira planare in oro contenuti nella camera sottovuoto accoppiata induttivamente con i circuiti elettronici esterni. Jachowicz [9] presenta un'interfaccia,ad uso generale, per l'accoppiamento induttivo tra le due camere, tramite due spire planari, una delle quali è collegata all'elemento capacitivo di trasduzione del misurando. Non mancano anche studi di simulazione in cui l'azione di un campo magnetico induce alla risonanza un cantilever conduttivo. [10] Altri studi recenti , diversamente dai precedenti che inducono e misurano una risonanza elettrica, propongono l'utilizzo di tecniche ottiche, per es. laser [11,12], o magnetiche, sfruttanti la legge di Lorentz o l'effetto magnetostrittivo entrambe finalizzate all'induzione di deformazioni, torsioni o flessioni in microstrutture in silicio [13-15]. Altri esempi applicativi, di interesse attuale della presente ricerca, includono, le misure di grandezze fisiche in presenza di campi di temperatura estesi [16]. In questo quadro generale, in cui sussistono esigenze sia di sperimentazione delle estensione delle caratteristiche dei microsistemi derivanti dall'uso di tecnologie dedicate sia di realizzazione di elementi primari risonanti contactless per misure in ambienti specifici, continuano a valere, tuttavia, gli obiettivi di miniaturizzazione, riduzione del consumo e minimizzazione del rapporto costo/prestazione. In questa prospettiva anche l'elettronica di condizionamento e di elaborazione gioca un ruolo significativo contribuendo alla ricerca di soluzioni circuitali a fronte delle nuove o modificate architetture di trasduzione con l'obiettivo di riduzione dei consumi, di incremento delle prestazioni metrologiche e di conferimento al sistema delle funzionalità tipiche dei sistemi elettronici a larga scala di integrazione. Per i sistemi risonanti, elettrici o meccanici, alcune soluzioni circuitale riportate in bibliografia [8,17-21] evidenziano come ancora sia necessario migliorare le caratteristiche dell'elettronica di condizionamento causa il basso livello dei segnali disponibili, la loro eventuale breve durata o la compresenza di forti segnali interferenti. Nel caso dei sensori magnetici, in particolare quelli a fluxgate, oltre alla tecnica classica che si basa sul principio della seconda armonica, altre sono state utilizzate negli ultimi anni. Ripka [22], per esempio, corto circuita la bobina di sensing e la corrente di corto circuito è proporzionale al campo magnetico esterno. La bibliografia, ricca di altre tecniche quali Andò [23] e Dimitropoulos [24], dimostra una prolifica attività, tuttavia, Ripka [25,26] evidenzia come il raggiungimento degli obiettivi sia tuttora legato alla ricerca di soluzioni nuove tendenti alla semplicità circuitale. Inoltre a testiomonianza dell'attualità degli argomenti di ricerca esposti, diverse sono state le manifestazioni d'interesse da parte di operatori qualificati del mondo industriale operanti anche su scala internazionale. Di seguito sono riportate le dichiarazioni d'interesse:

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