Smart Platform for Low-Cost MEMS Sensors – Pressure, Flow and Thermal Conductivity

In a technological world that is trending towards smart and autonomous engineering, the collection of quality data is of unrivalled importance. This has led to a huge market demand for the development of low-cost, small and accurate sensors and thus has resulted in significant research into sensors, with the aim of advancing the price/performance ratio in commercial solutions. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have recently offered an attractive solution to miniaturise and drastically improve the performance of sensors. In this thesis, MEMS technology is exploited to create a multi-sensor technology platform that is used to fabricate several sensing technologies. Piezo-resistive and piezo-electronic pressure sensors are designed, fabricated and tested. Different doping profiles, stress-engineered structures and electronic devices for pressure transduction are investigated, with focus on their sensitivity and non-linearity. A ring is fabricated in the metal layer around the circumference of the membrane that alleviates the effects of over/under etching. This is achieved by creating a new rigid edge of the membrane in the metal layer, which has tighter fabrication tolerances. A piezo-MOSFET is developed and shown to have greater sensitivity than similar state-of-the-art devices. Flow sensors based on a heated tungsten wire are designed, fabricated, tested and substantiated with numerical modelling. Calorimetric and anemometric driving modes are optimised with regards to device structure. Thermodiodes are also used as the temperature transduction devices and are compared to the traditional resistor method and showed to be preferable when further miniaturising the sensor. Thermal conductivity gas sensors based on a heated tungsten resistor are designed, tested and substantiated with numerical modelling. Holes through the membrane are used to improve the sensitivity to measuring carbon dioxide by 270%. Asymmetric holes are utilised to prove a novel method of measuring thermal conductivity in a calorimetric method. Designs improving this new concept are outlined and substantiated with analytical and numerical models. Linear statistical methods and artificial neural networks are used to differentiate flow rate and gas concentration using three on-membrane resistors. With membrane holes, the discrimination between gases in the presence of flow is improved. Neural networks provide a viable solution and show an increase in the accuracy of both flow rate and gas concentration. The main objective of the work in this thesis was to develop low-cost, low-power, small devices capable of high-volume production and monolithic integration using a single smart technology platform for fabrication. The smart technology platform was used to create pressure sensors, flow sensors and thermal conductivity gas sensors. Within each sensing technology, proof-of-concepts and optimisations have been carried out in order to maximise performance whilst using the low-cost, high-volume fabrication process, ultimately helping towards smart and autonomous engineering solutions driven by data

Modular integration and on-chip sensing approaches for tunable fluid control polymer microdevices

228 p.Doktore tesi honetan mikroemariak kontrolatzeko elementuak diseinatu eta garatuko dira, mikrobalbula eta mikrosentsore bat zehazki. Ondoren, gailu horiek batera integratuko dira likido emari kontrolatzaile bat sortzeko asmotan. Helburu nagusia gailuen fabrikazio arkitektura modular bat frogatzea da, non Lab-on-a-Chip prototipoak garatzeko beharrezko fase guztiak harmonizatuz, Cyclic-Olefin-Polymer termoplastikozko mikrogailu merkeak pausu gutxi batzuetan garatuko diren, hauen kalitate industriala bermatuz. Ildo horretan, mikrogailuak prototipotik produkturako trantsizio azkar, erraz, errentagarri eta arriskurik gabeen bidez lortu daitezkeenetz frogatuko da

DESIGN OF SMART SENSORS FOR DETECTION OF PHYSICAL QUANTITIES

Microsystems and integrated smart sensors represent a flourishing business thanks to the manifold benefits of these devices with respect to their respective macroscopic counterparts. Miniaturization to micrometric scale is a turning point to obtain high sensitive and reliable devices with enhanced spatial and temporal resolution. Power consumption compatible with battery operated systems, and reduced cost per device are also pivotal for their success. All these characteristics make investigation on this filed very active nowadays. This thesis work is focused on two main themes: (i) design and development of a single chip smart flow-meter; (ii) design and development of readout interfaces for capacitive micro-electro-mechanical-systems (MEMS) based on capacitance to pulse width modulation conversion. High sensitivity integrated smart sensors for detecting very small flow rates of both gases and liquids aiming to fulfil emerging demands for this kind of devices in the industrial to environmental and medical applications. On the other hand, the prototyping of such sensor is a multidisciplinary activity involving the study of thermal and fluid dynamic phenomenon that have to be considered to obtain a correct design. Design, assisted by finite elements CAD tools, and fabrication of the sensing structures using features of a standard CMOS process is discussed in the first chapter. The packaging of fluidic sensors issue is also illustrated as it has a great importance on the overall sensor performances. The package is charged to allow optimal interaction between fluids and the sensors and protecting the latter from the external environment. As miniaturized structures allows a great spatial resolution, it is extremely challenging to fabricate low cost packages for multiple flow rate measurements on the same chip. As a final point, a compact anemometer prototype, usable for wireless sensor network nodes, is described. The design of the full custom circuitry for signal extraction and conditioning is coped in the second chapter, where insights into the design methods are given for analog basic building blocks such as amplifiers, transconductors, filters, multipliers, current drivers. A big effort has been put to find reusable design guidelines and trade-offs applicable to different design cases. This kind of rational design enabled the implementation of complex and flexible functionalities making the interface circuits able to interact both with on chip sensors and external sensors. In the third chapter, the chip floor-plan designed in the STMicroelectronics BCD6s process of the entire smart flow sensor formed by the sensing structures and the readout electronics is presented. Some preliminary tests are also covered here. Finally design and implementation of very low power interfaces for typical MEMS capacitive sensors (accelerometers, gyroscopes, pressure sensors, angular displacement and chemical species sensors) is discussed. Very original circuital topologies, based on chopper modulation technique, will be illustrated. A prototype, designed within a joint research activity is presented. Measured performances spurred the investigation of new techniques to enhance precision and accuracy capabilities of the interface. A brief introduction to the design of active pixel sensors interface for hybrid CMOS imagers is sketched in the appendix as a preliminary study done during an internship in the CNM-IMB institute of Barcelona

EUROSENSORS XVII : book of abstracts

Fundação Calouste Gulbenkien (FCG).Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Mining Technologies Innovative Development

The present book covers the main challenges, important for future prospects of subsoils extraction as a public effective and profitable business, as well as technologically advanced industry. In the near future, the mining industry must overcome the problems of structural changes in raw materials demand and raise the productivity up to the level of high-tech industries to maintain the profits. This means the formation of a comprehensive and integral response to such challenges as the need for innovative modernization of mining equipment and an increase in its reliability, the widespread introduction of Industry 4.0 technologies in the activities of mining enterprises, the transition to "green mining" and the improvement of labor safety and avoidance of man-made accidents. The answer to these challenges is impossible without involving a wide range of scientific community in the publication of research results and exchange of views and ideas. To solve the problem, this book combines the works of researchers from the world's leading centers of mining science on the development of mining machines and mechanical systems, surface and underground geotechnology, mineral processing, digital systems in mining, mine ventilation and labor protection, and geo-ecology. A special place among them is given to post-mining technologies research

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume