Insegnamento SENSORI E MICROSISTEMI IN UN CONTESTO CLOUD COMPUTING

Corso
Ingegneria elettronica per l'internet-of-things
Codice insegnamento
70A00102
Curriculum
Comune a tutti i curricula
Docente
Daniele Passeri
Docenti
  • Daniele Passeri
  • Luca Roselli (Codocenza)
Ore
  • 24 ore - Daniele Passeri
  • 24 ore (Codocenza) - Luca Roselli
CFU
6
Regolamento
Coorte 2021
Erogato
2022/23
Attività
Caratterizzante
Ambito
Ingegneria elettronica
Settore
ING-INF/01
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
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