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I microsistemi: soluzioni innovative per telecomunicazioni e sensoristica

3 Attività Associate

3.1 - Il naso elettronico

(Responsabili: Dr. Corrado Di Natale, Dr. Alessandro Mantini, Università di Tor Vergata)

A sinistra: prototipo di naso elettronico. A destra: particolare dello stesso prototipo

Presso il PSM, in collaborazione con il Gruppo Sensori e Microsistemi del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università di Tor Vergata, è stato sviluppato un naso elettronico in grado di poter funzionare in numerosi contesti applicativi. Questo strumento, caratterizzato da elevata precisione, è stato concepito per la classificazione ed il riconoscimento degli odori percepibili e non percepibili dall'olfatto umano.

Esso consente analisi di tipo qualitativo, pertanto ricalca l'approccio più vicino al mondo naturale, essendo stato ideato proprio a partire dal funzionamento degli apparati biologici. Il sistema olfattivo si compone di un naso elettronico e di un personal computer ad esso connesso, dotato di un opportuno software dedicato all'elaborazione dei dati.

L'apparato sensibile è costituito da una matrice di 8 sensori al quarzo ricoperti ciascuno di una opportuna sostanza chimica (metalloporfirina), detta materiale chimicamente interattivo (MCI), con la caratteristica di non essere selettiva rispetto alle sostanze volatili presenti nell'ambiente da analizzare.

Questo aspetto conferisce a ciascuna di tali sostanze la capacità di "sentire" diverse caratteristiche dell'atmosfera circostante, in modo che la combinazione delle risposte fornisca un'immagine olfattiva la più completa possibile.

Questi sensori basano il loro principio di trasduzione su una variazione della frequenza di oscillazione; infatti quando le specie chimiche presenti nell'ambiente si legano in maniera reversibile ai Materiali Chimicamente Interattivi (MCI), la struttura si appesantisce, determinando una variazione della frequenza del quarzo. È proprio tale variazione che rappresenta la grandezza di interesse per l'analisi olfattiva e nelle otto variazioni, generalmente tutte diverse, relative agli otto quarzi, sono contenute tutte le informazioni relative alla sinergia (odore) delle specie chimiche che compongono l'atmosfera. Tali MCI svolgono la funzione di recettori, mentre le microbilance al quarzo rappresentano i trasduttori.

Questi sensori rappresentano, nell'analogia naturale, il bulbo olfattivo con i propri recettori. La cavità nasale è stata riprodotta progettando un'opportuna cameretta a tenuta, nella quale sono inseriti i quarzi, in modo tale da garantire un'uniforme interazione tra ambiente e sensori.

Importante è l'aspetto relativo alla disposizione dei sensori rispetto al flusso che scorre all'interno della cavità; infatti, è stato necessario assicurare a ciascuno di essi la possibilità di essere lambiti su ambo le facce da un'uguale quantità di sostanza, ma anche cercando di garantire un flusso il più possibile laminare, per evitare disuniformità di funzionamento locali, derivanti da indesiderati vortici. La funzione polmonare viene svolta da una minipompa aspirante capace di regolare il proprio flusso a seconda delle esigenze di misura e di indagine, analogamente all'azione dell'attività respiratoria biologica. Due valvole controllate elettronicamente consentono di alternare il flusso desiderato per la misura, con un flusso di ripulitura e calibrazione per il ripristino delle condizioni iniziali. Infatti, per riportare il sistema nelle condizioni di partenza è necessario effettuare una pulizia delle MCI che costituiscono i recettori; questa operazione può essere effettuata in pochi minuti utilizzando un flusso di aria deumidificata. Le valvole opportunamente programmate consentono la deviazione del flusso verso il percorso di pulizia. In effetti, anche l'olfatto umano ha bisogno di una sorta di pulizia delle vie respiratorie e dell'ambiente recettivo tra azioni olfattive relative ad odori diversi, affinché la reazione al secondo non sia influenzata dalla prima azione olfattiva. La camera è controllata termicamente tramite celle ad effetto Peltier. Un microcontrollore svolge le funzioni di controllo sia della logica sia della tempistica necessari per effettuare la misura con la precisione desiderata. Compito del microprocessore è anche la gestione delle funzioni relative al controllo dei LED (Light Emitting Diode) informativi sullo stato del sistema, il controllo delle pompe di aspirazione e delle microvalvole per il flusso, la stabilizzazione termica della camera di misura (narice), la comunicazione con il computer, ed un protocollo per il trasferimento dei dati di frequenza dal micro al PC e di comandi di controllo e di interrogazione dal PC al micro. Le analisi consistono di una serie di cicli in cui si alternano la misura e la pulizia della camera con aria secca.

I dati vengono analizzati con una o entrambe le seguenti tecniche: a) analisi delle componenti principali, b) mappa autoorganizzante. La prima consiste nel calcolare una trasformazione lineare in base alla quale i dati delle misure possono essere osservati su degli assi chiamati principali e che risultano ottimali. L'osservazione può essere fatta considerando 2 o 3 assi e, quindi, ottenendo l'immagine olfattiva in 2 o 3 dimensioni. La trasformazione avviene normalizzando i dati e calcolando le proiezioni sugli autovettori corrispondenti ai 2 o 3 autovalori principali.

Questo tipo di elaborazione consente di ottenere buone informazioni sui cluster relativi a gruppi di misure simili, cioè è possibile separare immagini olfattive con caratteristiche diverse ed accomunare quelle simili.

La mappa ottenuta è direttamente leggibile ed interpretabile in maniera analoga al procedimento usato da noi quando sentiamo degli odori.

Il necessario confronto tra la collocazione dei cluster ed i dati acquisiti nel database, consente l'interpretazione delle misure e, quindi, il riconoscimento de-

gli odori che rappresentava lo scopo dell'indagine.

Prototipo di naso elettronico in fase sperimentale.

La seconda tecnica sfrutta una particolare rete neurale, auto apprendente, in grado di creare anche essa un'immagine olfattiva, ma molto più dettagliata di quella ottenuta con la PCA (Principal Component Analysis). L'elaborazione è di tipo non lineare, pertanto le informazioni sono più approfondite. La rete SOM (Self Organizing Map) è costituita da una mappa che si automodifica in relazione agli ingressi che riceve; questo vuol dire che è in grado di variare le distanze relative tra i nodi e l'importanza dei singoli nodi, agendo su dei pesi caratteristici che si modificano progressivamente sfruttando le correlazioni individuate nei dati in ingresso.

Dalla mappa finale si ottengono informazioni relative ai cluster e alla diversità tra di essi.

Inoltre, è possibile studiare la sensibilità dei singoli sensori rispetto alle singole atmosfere analizzate, in modo da poter utilizzare i sensori migliori per le diverse situazioni di misura.

I dati ottenuti da queste mappe sono direttamente interpretabili e visivamente efficaci.

Sviluppi futuri riguarderanno il processo di miniaturizzazione del naso elettronico fino all'esplorazione della possibilità di poterlo realizzare in un unico chip di silicio, peraltro già in uno stadio avanzato di progettazione.

3.2 - Sensori ad elevata risoluzione

(Prof. Elio Scarano, Università "La Sapienza")

Presso il PSM, in collaborazione con il Prof.Elio Scarano (Università "La Sapienza") sono in fase di progettazione e sviluppo sensori innovativi da dedicare alla rivelazione di tracce di gas. In particolare, l'orientamento della ricerca è, in questa attività, la realizzazione, il collaudo e la calibrazione di sensori di elevate prestazioni in termini di durata e stabilità, di CO2, O2, NH3, C1 (Cloro).

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Sensore ad elevata
risoluzione di O2

Caratteristica saliente di questi sensori è basata sul fatto che essi possono essere situati lontano dall'ambiente di misura, che può talvolta presentare caratteristiche intollerabili di aggressività chimica. Per esempio, nel caso dell'analisi di O2 in acque di scarico viene fatto, tramite un gas carrier ed una membrana selettiva, un prelievo dell'ossigeno residuo che viene poi inviato al sistema di analisi comprendente il sensore. Con questa tecnica è possibile progettare sensori di lunga durata, con mantenimento delle prestazioni. Attualmente, sono in funzione due sensori: uno di O2 ed un altro di CO2. Per entrambi sono stati allestiti due esperimenti dimostratori tenuti in funzione ogni giorno, da mostrare agli operatori d'impresa interessati. Per dare un'idea della importanza della misura di tracce di O2 e CO2 vengono elencati alcuni campi applicativi e per ciascuno di essi il tipo di problematica che trova soluzione nell'impiego del sensore realizzato.

Agricoltura: circolazione dell'aria nella terra.

Biologia e Medicina: tasso di respirazione.

Cibi: consumo di O2 in vegetali conservati (es. patate), controllo fermentazione tramite monitoraggio della CO2.

Microbiologia: tassi di crescita dei microorganismi.

Tossicologia: effetto di agenti tossici.

Acqua: misura di O2 e CO2 disciolti.

Acque di scarico: monitoraggio processi biodegradanti.

Conservazione opere d'arte: attacco del marmo da piogge acide.

Detergenti: determinazione carbonati.

Infine, va menzionato che riguardo a questa attività è stata recentemente promossa l'idea di progettare sistemi di riferimento (standard) di piccole tracce di gas (inferiori alle cento parti per bilione). Questa iniziativa riveste notevole importanza a livello internazionale, per la determinazione di norme comuni per il monitoraggio ambientale e per la ricerca volta alla miniaturizzazione dei sensori di tracce di gas, utilizzando la tecnica della lavorazione chimica dei materiali, in particolare del silicio e dell'arseniuro di gallio.

3.3 - Laboratorio di Intelligenza Percettiva e di Interfacce Umane

(Dr. Fabrizio Davide, Telecom Italia s.p.a.)

Questo Sottoprogetto è stato concepito per guardare con un certo anticipo a nuovi e possibili sviluppi della sensoristica applicata e dei microsistemi.

I principali ambiti applicativi di queste attività sono:

• Interazione uomo-computer: interazioni multimediali, interfacce diadiche, generazione di domini sintetici ove collocare applicazioni specifiche, fattori umani.
• Realtà aumentata per la medicina: endoscopia guidata, navigazione spaziale a scale di grandezze scarsamente invasive, telechirurgia mediata da rete digitale a larga banda.
• Ausili terapeutici per patologie degli apparati sensoriali: desensibilizzazione delle fobie (agora- e claustrofobie), riduzione del panico, condizionamento visivo per i malati del morbo di Parkinson.
• In ambiente delle reti telematiche a larga banda: telelavoro, creazione di ambienti virtuali socialmente collaborativi, didattica interattiva ed esperimenti di ambienti virtuali.
• Controllo di ambienti complessi e pilotaggio di veicoli mediante l'utilizzo delle tecnologie basate sul monitoring non invasivo degli stati d'attivazione dei tessuti neurali e degli organi sensori umani.

3.4 Sviluppo di Microsistemi per Applicazioni Industriali. Tecniche di micromachining per dispositivi ad onda millimetrica

(Istituto Trentino di CulturaIstituto per la Ricerca Scientifica e Tecnologica, Dr. Mario Zen, Dr. Benno Margesin, Dr. Flavio Giacomozzi)

Le tematiche di questa attività hanno richiesto delle scelte specifiche in funzione sia delle competenze più qualificate disponibili sia delle potenzialità più evidenti riscontrabili nel nascente mercato dei microsistemi, con un occhio particolare alle necessità delle imprese locali e dell'area nord-orientale, e sono state sviluppate nell'ambito della Convenzione tra la Provincia Autonoma di Trento ed il Consiglio Nazionale delle Ricerche. A tal fine, si è definito l'obiettivo precipuo di giungere, al termine del progetto triennale, alla realizzazione di un certo numero di prototipidimostratori, considerabili come strumenti di stimolazione per le ricadute industriali.

Con riferimento al Progetto Sensori e Microsistemi del CNR, l'attività sviluppata ha riguardato la fabbricazione di semplici strutture per applicazioni a microonde ed onde millimetriche, in particolare guide d'onda coplanari e risuonatori, in modo da mettere a punto il processo di fabbricazione. Per migliorare le caratteristiche rispetto a prodotti ottenuti con tecnologie più convenzionali sono stati costruiti i dispositivi, ricorrendo a tecnologie di microelettronica e di micromeccanica. Le configurazioni circuitali sono state realizzate in oro con due modalità: a) direttamente su substrato di silicio e b) su membrane dielettriche dello spessore di circa 1.5 mm costituite da un trilayer del tipo SiO2/Si3N4/SiO2 supportate da un substrato di Silicio ed ottenute per successivi processi di ossidazione, crescita CVD ed attacco chimico. Lo scopo della produzione dei circuiti era quello di confrontare le caratteristiche delle due diverse soluzioni tecnologiche dal punto di vista delle prestazioni a microonde. In particolare, sono state misurate guide d'onda coplanari realizzate su wafer bulk e su membrane ottenute per micromachining (dispositivi su membrana). I dispositivi sono stati progettati e caratterizzati per applicazioni nell'intervallo (0.1 40) GHz. Un significativo miglioramento è stato ottenuto nel caso delle configurazioni ottenute per micromachining, con particolare riguardo a: a) l'estensione dell'intervallo in frequenza in cui viene ottenuto l'adattamento elettrico delle guide coplanari, e b) la diminuzione del livello di perdite.

3.5 Materiali Elettroceramici

(Dr.ssa Giuseppina Padeletti, CNR - Istituto di Chimica dei Materiali)

Negli ultimi anni, una grande attenzione è stata rivolta ai materiali elettroceramici, soprattutto se in forma di film sottile, per le loro peculiari caratteristiche quali conducibilità elettrica, grande permeattività dielettrica, ferroelettricità, piezoelettricità, piroelettricità ed attività elettro-ottica.

I materiali ferroelettrici, pur avendo molte potenziali applicazioni, non hanno ancora raggiunto una grossa commercializzazione. Per es. nei sensori di luce i semiconduttori sono superiori in velocità di risposta e sensibilità, così come i dispositivi magnetici sono più popolari nel settore delle memorie ed i cristalli liquidi sono tipicamente usati nei display ottici. Tuttavia, i ferroelettrici possono giocare un ruolo rilevante per applicazioni in campi ove non esistono materiali alternativi. In particolare, la piezoelettricità è una proprietà del materiale di subire modifiche strutturali a seguito dell'applicazione di un campo elettrico, che danno luogo a variazioni significative di un segnale elettrico lanciato nel materiale stesso. In questo senso, aree molto promettenti legate all'applicazione di materiali ferroelettrici sono:

• dispositivi elettromeccanici (attuatori piezoelettrici, motori ultrasonici);
• sensori a film sottile ibridi (sensori di accelerazione e pressione);
• dispositivi elettroottici (guide d'onda, display a film sottile);
• dielettrici ad alta permettività.

La nostra attuale attività in questo settore è indirizzata alla crescita mediante una tecnica chiamata MOCVD (MetallOrganic Chemical Vapour Deposition), che consiste nella deposizione di film sottili di materiali elettroceramici utilizzando tipici impianti da vuoto in cui una miscela di gas ottenuta da precursori metallorganici si deposita su di un substrato a temperatura controllata, dell'ordine di 500-600° C. Tale tecnica di crescita è stata scelta perché ritenuta la più consona per la realizzazione di film sottili ferroelettrici per i quali si voglia un accurato controllo dello spessore, della stechiometria e della qualità del materiale.

I materiali di attuale interesse possono essere suddivisi in due classi, definiti dalle seguenti sigle:

• PZT (dall'abbreviazione della composizione dell'ossido formato dagli elementi Pb, Zr e Ti)
• BST (dagli elementi Ba, Sr e Ti)

Tale scelta è basata su due filoni di ricerca:

1 - il primo riguarda la realizzazione di prototipi di SENSORI di PRESSIONE su substrati di Silicio, realizzati tramite micromachining (microlavorazione mediante opportuno attacco chimico) del Silicio. I settori interessati sono quello automobilistico e quello riguardante i misuratori per il controllo di flussi gassosi (collaborazione ITCIRST, Trento, Dr. Mario Zen).

2 - Il secondo riguarda la possibile applicazione dei materiali ferroelettrici nel settore dei DISPOSITIVI A MICROONDE. Tali materiali presentano una forte analogia formale con i materiali ferromagnetici, già citati nel paragrafo 2.1 di quest'articolo per altra applicazione alle stesse frequenze, soprattutto per il comportamento della polarizzazione elettrica in funzione di un campo elettrico applicato in DC (corrente continua), che fornisce una risposta di tipo isteretico (polarizzazione elettrica in funzione del campo elettrico applicato, analoga a quella dei materiali magnetici, in cui la magnetizzazione è graficata in funzione di un campo magnetico applicato in continua). Questa caratteristica, unita a perdite intrinseche che presentano un forte margine di miglioramento, rende i materiali ferroelettrici attualmente suscettibili di impieghi in dispositivi planari per il trattamento del segnale fino a 20 GHz (Collaborazione PSM, Roma, Dr. Romolo Marcelli).

Le tecniche utilizzate per una qualificazione completa del materiale comprendono la caratterizzazione strutturale e chimica dei film cresciuti. In particolare, vengono utilizzate le seguenti tecniche diagnostiche:

• morfologia, mediante microscopia SEM (Microscopia a Scansione Elettronica) e AFM (Microscopia a Forza Atomica)
• chimica, mediante spettroscopie basate su emissione di tipo fotoelettronico;
• strutturale, mediante diffrazione di raggi X sul film cresciuto;
• caratteristiche piezoelettriche, mediante i già citati cicli d'isteresi (risposta elettrica del materiale in funzione della tensione applicata).