Insegnamento SENSORI E MICROSISTEMI IN UN CONTESTO CLOUD COMPUTING
Nome del corso di laurea | Ingegneria elettronica per l'internet-of-things |
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Codice insegnamento | 70A00102 |
Curriculum | Comune a tutti i curricula |
Docente responsabile | Daniele Passeri |
Docenti |
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Ore |
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CFU | 6 |
Regolamento | Coorte 2021 |
Erogato | Erogato nel 2022/23 |
Erogato altro regolamento | |
Attività | Caratterizzante |
Ambito | Ingegneria elettronica |
Settore | ING-INF/01 |
Anno | 2 |
Periodo | Secondo Semestre |
Tipo insegnamento | |
Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
Lingua insegnamento | Italiano |
Contenuti | Introduzione sui sensori. Sensori termici (e sensori tandem basati su sensori termici), meccanici, magnetici, rivelatori di radiazione ed esempi di microsistemi. |
Testi di riferimento | Dispense a cura del docente. Meijer ed.-Smart Sensor Systems, John Wiley and Sons, 2008. J.W. Gardner, Microsensors - Principles and Applications, Wiley (1994 e seguenti). ISBN 0-471-94135-2. S.M. Sze, Semiconductor Sensors, Wiley 1994. |
Obiettivi formativi | Conoscenze metodologiche: Conoscenza di base dei principi teorici di funzionamento dei più comuni tipi di sensori e rivelatori e di sistemi Micro-Elettro-Meccanici (MEMS). Capacità professionali: comprensione del foglio di dati (data sheet) e applicazioni pratiche di alcuni comuni tipi di sensori e rivelatori presenti in commercio. |
Prerequisiti | L’insegnamento non ha propedeuticità dichiarate. Utilizza diversi concetti della Fisica ma li introduce dalle basi: trasmissione del calore nei solidi e nei fluidi, irraggiamento elettromagnetico, equazione di Clausius-Clapeyron, elasticità dei materiali, piezoresistività, proprietà magnetiche dei materiali (opzionalmente piezoelettricità). Si utilizzano inoltre concetti ed equazioni ben note della fisica dei semiconduttori. |
Metodi didattici | L’insegnamento è organizzato come segue: - lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti dell’insegnamento. |
Altre informazioni | Non sono previste altre informazioni. |
Modalità di verifica dell'apprendimento | La valutazione della prova d'esame è basata su una prova orale individuale di circa 30 minuti. La prova orale è basata sugli argomenti teorici trattati a lezione. Sono considerati fondamentali gli aspetti metodologici dell'insegnamento. |
Programma esteso | Introduction ¿ Sensor Definition ¿ IoT Definition ¿ IoT Product and Applications Examples ¿ Few Dates ¿ Standardizations, Regulations ¿ Datasheets (Temperature Sensor m35- Accelerometers ADX317) Sensor Parameters ¿ Range - Full Scale Output (FSO) ¿ Output Format – Resolution ¿ Transfer Function ¿ Linearity ¿ Sensitivity ¿ Hysteresis ¿ Resolution ¿ Accuracy ¿ Precision ¿ Repeatability & Reproducibility-note ¿ Error ¿ Dynamic Characteristic ¿ Example “Acoustic Sensor Modeling” (“Design and Modeling of a ZnO-Based MEMS Acoustic Sensor for Aeroacoustic and Audio Applications” Sensors Classification and Structure ¿ Sensor classification ¿ Sensor vs transducer definition ¿ Sensor structure Thermal Sensors ¿ Temperature Dependent Resistors overview ¿ Relation between Resistivity and Temperature-Temperature Coefficient of Resistance ¿ Resistance Temperature Detectors (RTD) o Callendar – Van Dusen Equation-I-Material Dependency of Callendar Van Dusen Equation-Materials for RTDs- PT100 (385)- RTD Fabrication Measurements with RTD:2 Wires-3 Wires and 4-wires Measurements- Comparison of Different RTDs (PT100-PT1000-Nickel RTD) o Example: MAX 31865 ¿ Basic Principle and Definitions o Heat Transfer: Conduction , Radiation , Convection o Newton’s Law of Cooling : Thermal Resistance and Thermal o Resistivity o Thermal Conductance and Thermal Conductivity (Fourier Equation) o Domain analogies and Nomenclature o Thermal Dissipation, Particular case of Joule heating o Heat capacity o Complete Equivalent Thermal Equation And Circuit o Thermal Resistance in datasheets RTDs ¿ Thermistor o NTC and PTC Thermistors: definition, o NTC Thermistor: materials, Transfer Function Approximations (First Order-beta Formula- Steinhart Hart Equation, How to choose the right approximations), Main Characteristics and Performances- NTC&RTDs Comparison Types of NTC-Thermistors (Beaqd Thermistors- Disk and Chip Thermistor- Glass Encapsulated Thermsitors) o PTC Thermistor: materials, Transfer Function (Silistor & Switching Type)- Modes of Operations (self-heated Mode, Sensing Sero-power Mode) ¿ Thermocouple o Principles of Operation- Type K Thermocouple example o Themroelectricity and Seebeck Effect (Seebeck Coefficient Consideration) o How to Measure absolute temperature with Thermocouples o Analysis of Type J thermocouple o Application: Semiconductor Thermocouple TEG (thermoelectric Generator- Example: Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) o Application: Thermoelectric Cooler (TEG) ¿ ICs Thermal Sensors o Transistor and Diodes as PTAT (Proportional To Absolute Temperature): Diode- Current vs T, BJT- direct vs. saturation region- ADS test resumé ¿ Applications o Flow Sensor, Hot wire Anemometer: constant current and constant temperature measurements. Hot wire with NTC and PTC Thermistor o Vacuum Pressure sensors, Thermocouple Gauge, Pirani Gauge o Example: “A wafer-level Packaged CMOS MEMS Pirani Vacuum Gauge” o Relative Humidity Sensor- Condensation Principle Hygrometer-Example : Humidity Sensor SHTW2, Silicon Labs Si7021-A20 o IR Sensor- Advantages of NON-Contact measurements -Physical Principles of Black Body Radiations (from Reyleight -Jeans equation to Planck Equation), Stefan-Boltzman Law, Wien’s Law. Basic Structure of IR Temperature Sensor. Thermal IR Detector (Thermocouple/ Pyrometer, Phyroelectrical Detector, Bolometer) ¿ Radiation Sensors o Radiation: the electromagnetic spectrum. o Detection of visible radiation: optical absorption; absorption coefficient; generation rate; quantum efficiency; recombination. o Collection of charge: drift, diffusion. o Detection devices: Photodiodes: PPS (Passive Pixel Sensors); CMOS APS (active pixel sensors); Pinned photodiode; WIPS (Weak Inversion Pixel sensors). ¿ Magnetic Sensors o Electric and Magnetic Polarization, Material Magnetics Properties, o Magnetic Transducers /Reed Switch, Coils, Galvanometric Effects and Sensors. o Hall Elements, Magnetoresistive Element, Anisotropic Magnetoresistance (AMR), Giant Magnetoresistance (GMR) , Spin Valve, TMR (Tunneling Magneto Resistance), Spintronics. o Mechanical Sensor: Piezoelectricity, examples |