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SVILUPPO E CARATTERIZZAZIONE DI SENSORI DI GAS PER SISTEMI LAB ON CHIP

By Matteo Bianchi

Abstract

In questi anni, nello scenario bioingegneristico, il campo della biomimesi dei sensi umani, o più in generale di quelli animali, si sta affermando in maniera sempre più importante. Da un lato vi é l’urgenza di sperimentare nuove soluzioni, in un’ottica di sostituzione o compensazione funzionale di eventuali deficienze, a livello dell’apparato sensoriale. Si può parlare in questo caso di un approccio squisitamente medico-chirurgico, in ambito protesico. Dall’altro, fedelmente ad una delle più rappresentative peculiarità dell’Ingegneria tout-court, si può definire un altro tipo di impostazione “application-oriented”. Ovvero: riuscire ad estrapolare da un sistema quelle caratteristiche generali, che possono essere sfruttate al fine di risolvere particolari problematiche operative. E’ il caso, ad esempio, del “Naso Elettronico”, del quale parleremo più dettagliatamente in seguito. Le sue applicazioni vanno oggi dall’ambito clinico-diagnostico, all’industria alimentare, nel settore di valutazione della qualità del prodotto , fino alle problematiche di monitoraggio ambientale. E’ proprio su quest’ultimo settore applicativo che verte il lavoro svolto nel corso di questa tesi; in particolare, é stato affrontato il problema del “sensing” di uno dei maggiori agenti inquinanti odierni, il diossido di azoto (NO2). C’é tuttavia da fare una precisa riflessione: lo sviluppo di un naso artificiale non può prescindere oggi dalla progettazione elettronica integrata e dalle soluzioni offerte dalle tecnologie microelettroniche. Oggigiorno, infatti, la tecnologia dei circuiti integrati riveste un ruolo fondamentale, in quanto va ad ottimizzare le prestazioni dei dispositivi in termini di affidabilità, funzionalità e dimensioni. Considerando un “naso” come un sistema di analisi che integra le funzionalità di varie parti, nell’esperienza svolta e qui presentata, é stato scelto un approccio di tipo BOTTOM-UP. Si é partiti proprio dagli elementi costitutivi, cercando di sviluppare ed ottimizzare delle soluzioni a livello sensoristico per questi, demandando ad una fase successiva la realizzazione di un’integrazione funzionale in un “unicum” operativo. Dalla valutazione della quasi impossibilità di prescindere dall’ambito elettronico microtecnologico, il punto di partenza consequenziale é diventato quindi il chip. Si é lavorato sul chip progettato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa e sviluppato dalla ST Microelectronics, secondo il processo BCD-6. Questo “device” é stato realizzato come un circuito integrato (IC), nel quale la parte di “sensing” coesiste e si compenetra con quella di elaborazione ed acquisizione del segnale, prettamente elettronica. La peculiarità del chip su cui si é operato risiede nella parte di sensing. Le aree attive dei sensori sono infatti realizzate, con particolari tecniche di post-processing, in Silicio Poroso (PS), un materiale relativamente nuovo, innovativo e molto interessante per le sue caratteristiche di compatibilità con la progettazione VLSI. Ma ciò che rende davvero unica la soluzione di sensing qui presentata non é tanto il materiale costitutivo, ma il suo modus operandi. Infatti, mentre sono già tanti i lavori in cui la rilevazione dell’analita avviene grazie ad un cambiamento della conduttività del PS, a seguito dell’interazione con le molecole ad esso adsorbite (si parla quindi di conduzione nel silicio poroso), nel chip su cui si é lavorato il PS funge da strato “spugna”. Ovvero: l’adsorbimento nel poroso di molecole gassose porta a variare la distribuzione di carica all’interfaccia con lo strato di Silicio Cristallino sottostante, modificando le proprietà di un canale ad elettroni di un n-FET. In questo caso si parla di APSFET (Adsorption Porous Silcon FET) . Gli obiettivi della tesi da me svolta si muovono su tre piani. In primo luogo, si é eseguito la caratterizzazione elettrica dei dispositivi elettronici “on chip”, prima ed eventualmente dopo il processo di anodizzazione, per verificarne l’integrità o le eventuali modifiche indotte dal suddetto processo . In secondo luogo, é stato eseguito uno studio dei parametri per conseguire la realizzazione dello strato sensibile in silicio poroso. In terzo luogo, si é passati alla fase di testing per i sensori, al fine di valutare correttamente le prestazioni funzionali del chip con PS, in presenza di un flusso di diossido di azoto, previa opportuna ossidazione dei chip. L’elaborato si struttura secondo il seguente schema. Nel Capitolo 1 si parte con una breve introduzione ai nasi artificiali, passando poi alla descrizione delle problematiche di monitoraggio ambientale, ed infine descrivendo i principi fisici che stanno alla base dell’adsorbimento . Nel Capitolo 2, si é parlato di sensori chimici, illustrando le soluzioni proposte, a livello di letteratura, in merito ai materiali di sensing per le specie gassose, in paricolare per NO2 , focalizzando il discorso sul silicio poroso. Nel Capitolo 3 si é parlato di integrazione della circuiteria elettronica e di microriscaldatori in sistemi di “gas sensing”, impostando la descrizione sulle soluzioni progettuali, offerte in letteratura, in merito ai circuiti di “read – out”. Nel Capitolo 4 si illustra la fase di caratterizzazione del silicio poroso, al fine di ricavare i parametri ottimali per realizzare i sensori. Si é descritto, inoltre, il chip, su cui si é lavorato, riportando i test eseguiti sull’elettronica integrata. Infine, si presentano i risultati sperimentali, ottenuti testando i sensori, esponendoli a “stream” controllati di N02. Chiudono l’elaborato le conclusioni e le considerazioni su quanto fatto, con la descrizione circa possibili sviluppi futuri

Topics: INGEGNERIA
Publisher: Pisa University
Year: 2047
OAI identifier: oai:etd.adm.unipi.it:etd-06152007-165334

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