Descrizione della commessa "Studio e sviluppo di microsistemi per analisi chimica (MD.P05.013)"

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  • Descrizione della commessa "Studio e sviluppo di microsistemi per analisi chimica (MD.P05.013)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • I sistemi sviluppati per la misura di inquinanti in aria sono stati concepiti per il controllo della qualità e della sicurezza ambientale e sono, quindi, intrinsecamente finalizzati al miglioramento del benessere individuale e collettivo delle persone. I sistemi gas cromatografici su chip di silicio hanno le potenzialità per permettere nuovi approcci, basati su reti capillari e dispositivi portatili, alla soluzione in campo di numerosi problemi connessi con la sicurezza e la salute, che tradizionalmente, quando possibile, sono risolti in tempi medio lunghi con il trasferimento del campione in laboratori di analisi specializzati. Si pensi alla identificazione tempestiva di sostanze tossiche o pericolose in ambienti civili e industriali o al riconoscimento di esplosivi e di droghe alle frontiere o in contesti analoghi. Questo stesso tipo di dispositivi può, inoltre, essere proposto e utilizzato in altri settori applicativi meno critici ma non per questo meno importanti, quali quelli agroalimentare, biomedicale e più in generale nel contesto del controllo nei processi di produzione industriale. (literal)
Strumentazione
  • Sistemi di calcolo e pacchetti software per il progetto di microsistemi comprendenti strumenti per il disegno del layout, la simulazione di processi e di dispositivi. Camera bianca in classe 100 con le apparecchiature di servizio e di processo necessarie per la messa a punto e la realizzazione dell'intera sequenza di passi tecnologici caratteristici della fabbricazione di microsistemi a livello prototipale. Sistemi per la caratterizzazione funzionale di sensori di gas e di sistemi per il gas sensing. Strumentazione per la caratterizzazione elettrica, ottica e strutturale dei materiali e dei dispositivi e metodologie software per l'estrazione dei parametri dei modelli circuitali e comportamentali. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Tematiche Sviluppo di sistemi per l'analisi chimica e dei microdispositivi che ne costituiscono i componenti chiave, quali sensori (ad ossidi metallici, a ionizzazione, a conduttanza termica), micro valvole di iniezione, microcolonne di preconcentrazione e separazione cromatografica, sorgenti controllate di gas per autocalibrazione di sensori. Integrazione di microdispositivi per lo sviluppo di sistemi analitici \"all-on-chip\". Sviluppo di soluzioni innovative per l'interconnessioni microfluidiche. Studio e sintesi di materiali nanostrutturati o a struttura molecolare specifica per applicazioni sensoristiche. Sviluppo di tecnologie di packaging sottovuoto a livello wafer per sensori di strain in silicio a microstruttura risonante per il monitoraggio di infrastrutture. Progettazione di interfacce elettroniche per la misura e il controllo di microsensori e microsistemi Metodologie e tecniche per l'esecuzione di prove funzionali e per la validazione dei microsistemi. (literal)
Competenze
  • Progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi microelettronici e microsistemi in silicio. Processi di micromachining di silicio e vetro; tecnologie di bonding e di incapsulamento. Processi di vacuum packaging per strutture risonanti. Conoscenze relative alla lavorazione e alle proprietà di materiali specifici per applicazioni sensoristiche. Progettazione di sistemi elettronici e fluidici. Sviluppo e progettazione di circuiti elettronici, di firmware e software per il controllo e l'automazione di microsistemi. Progettazione 3D e realizzazione di sistemi di interconnessione fluidica e di integrazione elettronica/fluidica. Caratterizzazione elettrica, strutturale e funzionale di microsistemi. Conoscenze specifiche relative ai settori di applicazione considerati. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le tecnologie messe a punto per la realizzazione dei microsistemi oggetto della commessa sono idonee al trasferimento verso partner industriali. Si sono già concretizzate in passato, e continuano tuttora, significative collaborazione con aziende, che riguardano prevalentemente la strumentazione per l'analisi chimica di gas nei contesti della qualità dell'aria (indoor, outdoor), della sicurezza (droghe e precursori, esplosivi, persone nascoste o persone sepolte), analisi industriali (ad esempio sicurezza e potere calorifero del gas naturale) e della salute. I singoli componenti e le tecnologie utilizzate per la loro fabbricazione sono, inoltre, suscettibili di produrre ricadute in altri ambiti di ricerca e di applicazione. Ad esempio, i processi di microlavorazione delle colonne gascromatografiche sono stati proposti per innovazioni in altre tipologie di prodotti, alcuni estremamente specialistici, quali i micropropulsori per applicazioni spaziali o i dispositivi di microdosaggio dei medicinali, altri più diffusi, come le testine di stampa a getto di inchiostro. (literal)
Tecnologie
  • Tecnologie planari utilizzate per la lavorazione del silicio in microelettronica e tecnologie di microlavorazione meccanica in dispositivi MEMS. Tecnologie di lavorazione e microlavorazione di wafer di silicio e vetro. Tecniche di wafer bonding. Sistemi di wafer dicing e wire bonding. Sistemi per l'assemblaggio e l'interconnessione microfluidica. Tecnologie di deposizione e di crescita di materiali nanostrutturati multifunzionali. Sistemi di caratterizzazione morfologica di micro e nanostrutture. (literal)
Obiettivi
  • Sviluppo di nuove competenze relative a: tecnologie planari e di microlavorazione meccanica del silicio per la realizzazione di dispositivi MEMS; proprietà di materiali speciali per applicazioni sensoristiche e relative tecniche di lavorazione; tecnologie di packaging, di wafer-level vacuum encapsulation, di interconnessione elettrica e fluidica; tecnologie di integrazione a livello wafer di dispositivi multifunzionali (ad esempio integrazione iniettore, colonna, detector) progetto e caratterizzazione strutturale ed elettrica di MEMS; studio delle problematiche specifiche dei settori applicativi considerati. Le conoscenze e le tecnologie sviluppate saranno finalizzate alla realizzazione di: a) microsistemi per la misura di gas e vapori con metodologie di tipo gascromatografico; b) microsistemi wireless per il monitoraggio del degrado nei tunnel delle reti di trasporto metropolitane, basati su sensori di strain alimentati con tecnologie di recupero dell'energia ambiente (power harvesting). c) sistemi per l'automatizzazione della misura: autocalibrazione, riconfigurabilità, auto-processing. (literal)
Stato dell'arte
  • L'utilizzo di nano e micro tecnologie ha aperto le porte ad una nuova generazione di strumenti per la misura della composizione e della concentrazione di sostanze, sia in fase liquida che gassosa. Si tratta di soluzioni, generalmente riconducibili al concetto di lab-on-chip (LOC), che prevede la miniaturizzazione e l'integrazione di tutte le fasi dell'analisi (iniezione, reazione, separazione e rilevazione) all'interno di un singolo microsistema. In questo contesto IMM ha già svolto un'attività di ricerca pluriennale che ha permesso di raggiungere significativi ed originali risultati, quali sistemi gas cromatografici (GC) miniaturizzati completi, basati su tecnologie MEMS, di dimensioni palmari, ma con prestazioni equivalenti o superiori rispetto alla strumentazione convenzionale. In particolare stati sviluppati e validati i componenti principali MEMS di un sistema gas-cromatografico general purpose (iniettore, colonna di separazione, detector TCD). Recenti contatti e incontri con il maggio esperto statunitense nel campo della GC MEMS (E.Zellers) hanno permesso di confermare l'alto livello tecnologico e innovativo dei microdispositivi sviluppati all'interno di questa commessa. (literal)
Tecniche di indagine
  • Nell'ambito della commessa sono disponibili metodologie, sperimentali e teoriche, che permettono di caratterizzare materiali e dispositivi, anche utilizzando adeguate strutture di test, al fine di pervenire alla comprensione dei fenomeni di interesse ed orientare la scelta dei parametri di progettazione. Oltre ad indagini basate su misure elettriche, effettuate con due probe-station automatiche per misure e statistiche a livello wafer, e con due sistemi di caratterizzazione di sensori di gas e per sistemi di gas sensing, sono utilizzate anche tecniche di microscopia elettronica a scansione e in trasmissione, soprattutto per l'analisi morfologica e strutturale dei materiali e dei dispositivi. Le informazioni acquisite sono di fondamentale importanza per la progettazione assistita da calcolatore, attraverso modelli analitici e numerici di simulazione dei processi e dei dispositivi. (literal)
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