Corso di Micro- e nano-sistemi per l Elettronica

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1 Corso di Micro- e nano-sistemi per l Elettronica Laurea Magistrale in Elettronica Docente: Gianfranco Manes Informazioni, Appelli e Dispense gianfranco.manes@unifi.it Ricevimento Venerdì Lezioni Lunedì ore Venerdì ore

2 Micro-nano Sistemi per l elettronica Reti di sensori

3 Micro- e nano-sistemi per l elettronica Applicazioni Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

4 Convergenza fra micro-nano senori e reti di comunicazione wireless Wireless Sensor Network Wireless Sensor and Actuator Network Internet of Things

5 Architettura WSN Componenti di rete Internet Via TCP/IP o GPRS analisi/presentazionedei dati Modelli Sink Node Router Node Router Node End Node + sensori 5 End Node

6 Wireless Sensor Actuator Networks Internet Via TCP/IP o GPRS Funzionalità WSN: rilevazione di parametri fisico/chimici e microclimatici per il monitoraggio Sink Node in tempo reale delle sostanze di interesse Controllo remoto Programmi di attuazione Funzionalità WAN: generazione allarmi, controllo da remoto (automatico o manuale) di attuatori secondo schemi programmati Router Node End Node + attuatori 6

7 Sensori integrabili nelle reti di sensori Elettrochimici CO2, CO, H2S, Cl, NO2, NO, O, SO2 Fotoionizzazione V.O.C. Sensori MOS V.O.C. e vari Contatori ottici di particelle PM2/10 Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) FAIMS Fully Asymmetric Ion Mobility Spectr. Carbon nanotubesupported Pd catalysts (Pd/CNT) 7

8 Monitoraggio Ambientale (Agricoltura, gestione remota delle risorse)

9 Monitoraggio delle strutture Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

10 Monitoraggio del traffico Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

11 Monitoraggio di impianti industriali

12 Variabilità direzione vento 12

13 Integrazione misure di concentrazione con parametri micro-climatici Effetto del vento sulla concentrazione 1 Concentrazione VOC Aumento intensità vento 13

14 Integrazione misure di concentrazione con parametri micro-climatici: effetto del vento sulla concentrazione S 14

15 Rappresentazione della concentrazione rilevata in funzione della occorrenze della direzione del vento su base giorno Diagramma polare Rosa delle emissioni In funzionamento dal Luglio

16 WSN Architetture di rete 1 Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici Star Mesh

17 Architetture di rete 2 Mesh Cluster Three

18 Sistemi Embedded Sistemi embedded (immerso o incorporato): sistemi elettronici di elaborazione a microprocessore progettati appositamente per una determinata applicazione (special purpose) ovvero non riprogrammabili dall'utente per altri scopi, spesso con una piattaforma hardware ad hoc, integrati nel sistema che controllano ed in grado di gestirne tutte o parte delle funzionalità richieste

19 Wireless Sensor Actuator Network Actuator Microsensor Gateway TCP/IP Radio Unit Nanosensor

20 Internet of Things Reader Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici RFID Gateway TCP/IP

21 Body Area Network BAN Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

22 Internet of Things Ogni oggetto è interconnesso in rete ed accessibile con un proprio indirizzo IP

23 Schema a blocchi Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici Sink Node Unit; Unità Gateway di una rete o sottorete (con sensori) End Node Unit; Unità wireless con sensori/attuatori Sensore/ Attuatore Circuito di condizionament o microp Unità radio

24 SNU Sink node Unit Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

25 ENU End node Unit Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

26 Programma Parte 1 Introduzione Circuiti comparatori Circuiti di sample & hold Generalità sui convertitori A/D e D/A: definizioni, specifiche, non idealità Convertitori A/D Convertitori D/A Phase Lock Loop

27 Circuiti analogici e circuiti digitali la distinzione tra elettronica analogica e digitale è arbitraria in qualsiasi circuito elettronico le tensioni e le correnti assumono valori continui (a rigore, anche se la carica elettrica è "quantizzata", la corrente elettrica non lo è, poiché il tempo è una variabile continua) E' prassi consolidata classificare, adottando un punto di vista "sistemistico", alcuni circuiti come "digitali" e altri circuiti come "analogici"; questa classificazione è utile per indicare, sinteticamente, il tipo di segnali di ingresso e di uscita di un circuito. nel progetto di sistemi digitali contenenti (memorie e microprocessori sono necessarie conoscenze approfondite di elettronica analogica (si devono considerare parassiti, interferenze, ), al punto che, come si dice, "high-speed digital design is analog design"

28 Tendenza delle moderne architetture di sistemi AD Analogue Signal Processing Sensori Attuatori Digital Signal Processing

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31 Andamento della V DD e V T con la lunghezza di canale nei MOSFet

32 Andamento della V BB con la lunghezza di canale nei MOSFet

33 MEMS Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

34 System on-package

35 System on-chip

36 Confronto "System on chip" vs "system in package" Non è ancora chiaro se, alla fine, prevarranno i "system-on chip" oppure i più flessibili "system-in-package" che, tra gli altri vantaggi, consentono di utilizzare processi diversi per le sezioni analogica e digitale e hanno meno problemi di cross-talk tra le due sezioni se la sezione analogica e la sezione digitale sono integrate nello stesso chip si possono avere un circuito a bassissimo offset e porte logiche digitali con frequenze di clock fino a centinaia di MHz a pochi mm di distanza; le capacità parassite e il substrato accoppiano le due sezioni e il comportamento del circuito analogico può essere molto scadente a causa dalle interferenze digitali;

37 Riduzione della tensione di alimentazione di circuiti digitali porta a significative riduzioni della dissipazione di potenza che, nei circuiti CMOS, è uguale a P α fcvdd La riduzione della potenza dissipata consente di aumentare l'autonomia di sistemi portatili (fondamentale nei sistemi alimentati a batteria che non sono accessibili) e di ridurre le temperature di funzionamento dei circuiti integrati, aumentandone l'affidabilità (il tempo medio prima di un guasto si dimezza per ogni incremento della temperatura di 10 C);

38 Mixed Signal Circuit Circuiti misti Analogico Digitali

39 Conversione AD Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici ADC

40 Nanotecnologie e nano dispositivi

41 Carbon nanotube Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

42 Carbon nanotube chemical sensor

43 Nanowire FET Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

44 Solubile protein detector Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici

45 Nanowire: confinamento quantico in una sola dimensione Dispense del Corso di micro- nano-sistemi elettronici