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