STUDIO DI UN FRONT-END AD ELEVATA PRECISIONE PER LA LETTURA DI SENSORI DI GAS DI TIPO RESISTIVO AD AMPIO RANGE DINAMICO
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- Agnolo Federici
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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA STUDIO DI UN FRONT-END AD ELEVATA PRECISIONE PER LA LETTURA DI SENSORI DI GAS DI TIPO RESISTIVO AD AMPIO RANGE DINAMICO Relatori: Chiar.mo Prof. Piero Malcovati Correlatori: Ing. Marco Grassi Tesi di Laurea Di Gianpiero De Iaco Anno Accademico 2003/2004
2 Ai miei genitori, a zia Maria e zio Guido, a Tommaso e Lucia, gli angeli che mi hanno sostenuto e incoraggiato in questi lunghi e indimenticabili anni vissuti lontano da casa.
3 INDICE INDICE INTRODUZIONE 1 Capitolo 1: Sensori di gas e nasi elettronici 1.1 Premessa Sensori di gas Nasi elettronici 12 Capitolo 2: Stato dell arte del front-end 2.1 Premessa Esempio di conversione mediante compressione logaritmica Esempio di conversione resistenza-tempo Conclusioni 26 Capitolo 3: Front-end con approccio semilogaritmico 3.1 Premessa Struttura del front-end Approccio semilogaritmico Dettagli del progetto Risultati delle simulazioni Conclusioni 44 I
4 INDICE Capitolo 4: Front-end con conversione resistenza-tempo 4.1 Premessa Struttura del circuito di front-end Risultati delle simulazioni 56 Appendice 62 CONCLUSIONI 88 BIBLIOGRAFIA 89 II
5 INTRODUZIONE INTRODUZIONE Nel presente lavoro di tesi è stato progettato un circuito di interfaccia multicanale intelligente in forma integrata per un sistema di monitoraggio ambientale basato su sensori di gas. Il circuito è capace di riconfigurarsi a seconda del naso elettronico (sistema costituito, nel caso considerato, da un array di 4 sensori) a cui è connessa e di fornire in uscita una rappresentazione digitale della grandezza letta sul sensore. La prima parte dell elaborato, costituita dai capitoli 1 e 2, introduce i sensori di gas ponendo particolare enfasi sugli aspetti relativi ai circuiti di interfaccia ed elaborazione dei dati. In particolare, vengono descritte applicazioni e caratteristiche dei sensori a semiconduttore, evidenziandone il comportamento e le caratteristiche elettriche (questi sensori si comportano come resistori la cui resistenza varia con la concentrazione del gas) e vengono studiate alcune forme di conversione già presenti in letteratura, utilizzate come base di partenza per la progettazione dell innovativo circuito di interfaccia ad elevata precisione. Nel capitolo 3 viene descritta una soluzione per implementare il circuito di interfaccia basata su una conversione resistenza-tensione di tipo semilogaritmico in grado di gestire valori della resistenza del sensore compresi tra 100Ω e 10MΩ con precisione dello 0.1%, così come richiesto dalle specifiche di progetto. Questo circuito necessita, tuttavia, un complesso sistema di calibrazione e quindi costi di realizzazione relativamente sostenuti. Tale progetto ha rappresentato il punto di partenza per realizzare un circuito di interfaccia alternativo basato su una conversione resistenza-tempo, ampiamente descritto nel capitolo 4. Questo circuito raggiunge un elevata precisione (0.35%) per valori di resistenza del sensore compresi tra 1k e 100M senza richiedere alcun sistema si calibrazione né aggiustamento di scala. 1
6 CAPITOLO 1 SENSORI DI GAS E NASI ELETTRONICI 1.1 Premessa 1.2 Sensori di gas 1.3 Nasi elettronici 1
7 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici 1.1 PREMESSA Il senso dell olfatto riveste un ruolo di grande rilievo nella vita di tutti gli esseri viventi. La sua funzione è quella di captare, attraverso recettori situati sulla mucosa nasale, stimoli chimici o semplicemente odori. La percezione degli odori è importante per tutti gli organismi viventi in quanto, grazie ad essa, si è in grado di trovare cibo, di avvertire la presenza di pericoli, ecc. Al contrario di quanto avviene in altri animali, nell uomo il senso dell olfatto ha perso di rilevanza rispetto agli altri organi di senso. Comunque, la percezione olfattiva rappresenta, anche per l uomo, un cambiamento di comportamento che può essere di attrazione o repulsione a seconda dello stimolo subito. Lo studio degli odori è di grande interesse per l industria agro-alimentare, medico-farmaceutica, cosmetica e nel monitoraggio dell ambiente. In alcuni settori, come l agro-alimentare e il cosmetico, la valutazione del prodotto viene effettuata da un gruppo di esperti (panel test). Anche in questo caso, tuttavia, si hanno inconvenienti legati al lungo addestramento ed alla scarsa riproducibilità delle valutazioni che dipendono da vari fattori psico-fisici. Il senso dell olfatto, infatti, è intimamente legato alla sfera emotiva individuale e gli odori possono essere descritti in modo approssimato. Inoltre in molte applicazioni, come il monitoraggio di fughe di gas tossici o di sostanze maleodoranti non è possibile ricorrere al panel test. Per superare tali inconvenienti, negli ultimi anni, si è cercato di utilizzare particolari dispositivi a stato solido in grado di interfacciare il mondo della chimica con quello analogico-digitale dell elettronica e della microelettronica detti sensori di gas, sensibili nei confronti di una qualsiasi molecola semplice o complessa e quindi in grado di rilevare la presenza di sostanze allo stato di gas o vapore. La ricerca e lo sviluppo nel campo dei sensori sono orientati al raggiungimento delle massime sensibilità, stabilità e selettività. La possibilità di raggiungere tali obiettivi dipende da numerosi fattori come la natura delle grandezze da rilevare, il fenomeno chimico-fisico sul quale è basato l effetto sensibile, il processo di trasduzione in un segnale elettrico o ottico, l elettronica necessaria per l elaborazione del segnale e per il condizionamento del sensore, il rumore in gioco elettrico e chimico (attualmente, nonostante la commercializzazione di dispositivi muniti di un singolo sensore, non si è 3
8 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici ancora ottenuto un sistema che abbia caratteristiche il più vicino possibile al sistema biologico). 1.2 SENSORI DI GAS Negli ultimi anni l'attività di ricerca sui sensori chimici si è andata orientando in due direzioni: la prima, in continuità con la tradizione, promuove lo sviluppo di sensori con elevata sensibilità (in questo contesto nuove metodologie chimiche consentono la sintesi di molecole in grado di catturare selettivamente specie chimiche dall ambiente); la seconda (altra metodologia per ottenere sensori selettivi), fa uso di tecniche di biologia molecolare utilizzando enzimi ed anticorpi come materiali chimicamente interattivi. Occorre, tuttavia, tenere presente che, per i sensori chimici, la selettività contrasta con un altro importante parametro: la reversibilità, intesa come la capacità del sensore di tornare spontaneamente alle condizioni iniziali al cessare della sollecitazione. Il funzionamento di un sensore chimico, infatti, si basa sul fatto che il materiale chimicamente attivo, che costituisce l interfaccia tra sensore e ambiente, agisce sulla base di un certo numero di siti superficiali in grado di catturare molecole dall ambiente esterno. La selettività globale dipende in buona parte dalla selettività di questi legami: quando tali legami sono selettivi sono di natura forte e quindi non reversibili; per avere reversibilità è necessario che i sensori siano basati su legami di tipo debole però non selettivi. Al giorno d oggi, nella fabbricazione dei sensori di gas, come strati sensibili vengono impiegati materiali inorganici (principalmente ossidi metallici a comportamento semiconduttore) ed organici (principalmente polimeri). I primi sono noti comunemente con il nome di sensori a semiconduttore, in quanto l elemento sensibile sfruttato per la rivelazione è uno strato sottile (film) di ossido di metallo,classificabile in base al suo comportamento elettrico come semiconduttore (di tipo n o di tipo p). La morfologia e la struttura policristallina di tali strati di materiale sensibile è fondamentale per il funzionamento di tali tipi di sensori. I sensori a semiconduttore oggi presenti sul mercato sono tutte variazioni del primo esemplare progettato da N.Taguchi nel 1968 (mettere reference). Tale dispositivo era 4
9 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici costituito essenzialmente da un filamento riscaldante e da un elettrodo filiforme inseriti all interno di un piccolo tubo contenente polvere di ossido di stagno. I sensori moderni, molto più stabili, si basano essenzialmente su strutture planari e vengono realizzati con tecnologie molto più avanzate, facendo uso dei processi propri della microelettronica; lo strato sensibile può essere depositato sotto forma di film sottile (spessori dell ordine di centinaia di nm) mediante tecniche di deposizione fisiche (quali evaporazione termica, sputtering, deposizione da fascio elettronico, ecc.) o chimiche (Chemical Vapour Deposition, spray pirolisi, slo-gel). In entrambe i casi i film sensibili di ossido metallico vengono depositati su opportuni substrati di allumina o di silicio di dimensioni ridotte (circa 1-2 mm 2 ). In particolare tra le tecniche più innovative va ricordato il processo sol-gel. Esso è un metodo chimico-umido ampiamente utilizzato nella preparazione di ossidi inorganici che offre diversi vantaggi quali: - semplicità di processo; - possibilità di effettuare deposizioni su superfici ampie e a geometrie complesse; - elevata omogeneità delle soluzioni e la conseguente facilità nel drogare uniformemente il materiale; - larga area superficiale utile per migliorare l efficienza dei sensori; - costo di produzione ridotto. Il termine Sol sta ad indicare una sospensione colloidale (in cui la fase dispersa è così piccola da rendere dominanti le forze a corto raggio nelle interazioni fra particelle) di particelle solide in un liquido che, attraverso processi di idrolisi e polimerizzazione, può evolvere fino a formare un gel, ossia un unica macromolecola che si estende in tutta la soluzione. I substrati più moderni su cui vengono depositati gli strati sensibili per sensori di gas sono costituiti da silicio che può presentarsi sotto forma di bulk o di membrane microlavorate. In particolare le recenti tecnologie di microlavorazione del silicio permettono la realizzazione di sensori con una notevole riduzione della potenza dissipata oltre che un considerevole passo in avanti verso la miniaturizzazione del dispositivo finale e l integrazione sullo stesso chip di una serie di sensori e dell elettronica di controllo (sensing chip) realizzati mediante un processo standard di fotolitografia. Sul lato inferiore, in generale, ogni dispositivo è fornito di un riscaldatore 5
10 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici di tipo resistivo in platino, realizzato mediante analoga procedura di fotolitografia, necessario per portare il sensore alla sua temperatura di lavoro ideale (normalmente nel range tra 200 e 400 C). In figura 1.1 è riportato lo schema tipico di un dispositivo su substrato di allumina o silicio bulk, mentre in figura 1.2 quello di un dispositivo su micromembrana di silicio. Figura Schema tipico di un dispositivo su substrato di allumina Figura Schema tipico di un dispositivo su micromembrana di silicio 6
11 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici Il principio di funzionamento di tali sensori di gas si basa su processi di interazione reversibili fra le molecole di gas reattive e la superficie del sensore (ovvero processi di assorbimento, trasferimento di carica e complesse reazioni chimiche superficiali fra le varie specie chimiche assorbite). Tali processi, attivati termicamente, determinano le alte temperature di lavoro dell elemento sensibile. Quando un film di ossido pollicristallino (ad esempio SnO2 semiconduttore tipo n) viene riscaldato ad alte temperature in aria, le molecole di ossigeno contenute nell aria vengono assorbite sulla superficie del semiconduttore catturando parte degli elettroni liberi del semiconduttore diventando ioni nella forma O 2- ed O - ). Un sottile strato (depletion layer) al di sotto di ogni grano cristallino viene così svuotato di elettroni di conduzione e si formano barriere di energia potenziale ad ogni bordo di grano. All interno del sensore la corrente elettrica, e quindi i portatori di carica, fluendo attraverso la struttura di grani cristallini, è costretta a superare le barriere energetiche ad ogni giunzione fra grani cristallini (figura 1.3). Figura Schema del funzionamento del sensore di gas a semiconduttore 7
12 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici La conduttanza del film sensibile è quindi legata all altezza di tali barriere energetiche da una relazione del tipo: G = G 0 e ev KT s dove G 0 è una costante, K è la costante di Boltzman, T è la temperatura in gradi Kelvin, e evs rappresenta l'altezza della barriera di potenziale. In presenza di gas riducenti, come il monossido di carbonio (CO), in conseguenza delle complesse reazioni chimiche superficiali tra l'ossigeno precedentemente adsorbito e le stesse molecole di CO, la concentrazione di ossigeno assorbito diminuisce liberando gli elettroni precedentemente catturati, determinando in questo modo un abbassamento dell altezza delle barriere energetiche e pertanto un aumento della conduttanza elettrica. Questa modulazione della conduttanza elettrica del sensore di gas a semiconduttore determina la sua stretta dipendenza dalla concentrazione del gas riducente. Questo è il modo standard in cui tali tipi di sensori rivelano la presenza di gas riducenti in aria. In generale la relazione empirica che lega la conduttanza G del sensore alla concentrazione C del gas riducente è lineare su scala logaritmica almeno per certi range di concentrazione. Relazione Conduttanza-Concentrazione Con α che varia tra 0.1 ed 1 α G (C gas ) In presenza di gas ossidanti, come l ossigeno e gli ossidi di azoto, l altezza delle barriere energetiche aumenta in seguito alla cattura da parte delle molecole di gas di elettroni di conduzione e la conduttanza elettrica del sensore di conseguenza diminuisce. 8
13 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici In generale si può quindi affermare che dal punto di vista elettrico tali sensori si comportano come resistori la cui resistenza elettrica varia con la concentrazione del gas da rivelare. Una tipica risposta elettrica di un sensore ad una variazione della concentrazione di una specie gassosa nell ambiente è riportata in figura 1.4. Il valore del segnale elettrico del sensore varia in presenza del gas fino a raggiungere un valore di saturazione per poi tornare al suo valore in equilibrio in aria una volta cessata l esposizione al gas in esame. Il tempo di risposta e di recupero sono altri importanti parametri che dipendono dalla natura del gas e dalla temperatura di lavoro del sensore. Figura Tipica risposta elettrica di un sensore ad una variazione della concentrazione di una specie gassosa nell'ambiente 9
14 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici Poiché la resistenza elettrica varia da sensore a sensore, la risposta S del sensore ad una data concentrazione del gas da rivelare è in genere espressa come: S = ( R gas R aria ) / R aria per gas ossidanti oppure come: S = ( R aria R gas ) / R gas per gas riducenti. Il valore di resistenza a riposo, ovvero in assenza di gas (baseline), può variare da sensore a sensore in un range di valori che dipendono dal materiale utilizzato come strato sensibile, mentre uno stesso sensore può dare risposte ai diversi gas e alle diverse concentrazioni che variano in un ampio range di valori di resistenza. Questa è la maggiore causa di difficoltà nella realizzazione del circuito elettronico di interfaccia, che deve essere in grado di funzionare su tutto il risultante intervallo di variazione di resistenza. In generale, all aumentare della temperatura la risposta ad un gas aumenta, raggiunge un massimo e poi diminuisce (curva di risposta); determinare la temperatura ottimale di lavoro per un determinato sensore è quindi un passo fondamentale nella procedura di caratterizzazione elettrica del dispositivo (figura 1.5). 10
15 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici Figura Curve tipiche di risposta di un sensore in funzione della temperatura dei vari gas. L interesse nello sviluppare sensori di gas a semiconduttore sempre più affidabili, deriva dai loro numerosi vantaggi. Oltre alle ridotte dimensioni ed a un programmato costo di produzione limitato, i sensori di gas a semiconduttore presentano elevate sensibilità nel rivelare anche piccole concentrazioni, a livello di parti per milione (ppm) o in alcuni casi parti per bilione (ppb), di una vasta gamma di composti chimici in aria. Inoltre tali tipi di sensori sono caratterizzati da una effettiva semplicità di funzionamento. Il principale svantaggio di tali sensori è l instabilità a lungo termine; il segnale di baseline (resistenza in aria) e/o la risposta ad un dato gas possono variare nel tempo. Tali instabilità sono legate principalmente a variazioni morfologiche del film di materiale sensibile (variazione della dimensione dei grani cristallini e/o della loro distribuzione). La risposta è inoltre influenzata dalla presenza dell'umidità, che risulta quindi uno dei maggiori interferenti.. Infine la selettività e la precisione della misura effettuata dal sensore a semiconduttore sono limitate. Opportuni accorgimenti funzionali possono permettere di migliorare la selettività, rendendoli idonei all impiego in applicazioni domestiche ed industriali. La selettività può essere infatti modulata attraverso un opportuna scelta del film sensibile, con l'introduzione di opportuni catalizzatori e/o droganti, dalla geometria e natura dei contatti, dall'utilizzazione di filtri, 11
16 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici ecc.. Un'altra strategia che permette di migliorare la selettività consiste nel considerare una serie di sensori, aventi proprietà di sensing differenti, in una configurazione di array. L'analisi delle risposte dei sensori dell'array con tecniche statistiche (analisi a componente principale, reti neurali, ecc.) permette il riconoscimento dei diversi gas in miscele gassose complesse. Questa strategia ha portato alla realizzazione del sistema ormai noto con il nome di "Naso Elettronico" 1.3 NASI ELETTRONICI Il sistema sensoriale noto come Naso Elettronico, è stato già introdotto alla fine degli anni ottanta, nell intento di simulare il comportamento biologico del sistema olfattivo dei mammiferi, che è uno dei chemorecettori più evoluti esistenti, ma solo recentemente lo sviluppo tecnologico ha permesso di avere a disposizione tale dispositivo, rendendolo uno strumento abbastanza interessante grazie alle molteplici prospettive di applicazione che vanno dalla tutela della salute (rilevamento di inquinanti gassosi) ai processi industriali fino al controllo della qualità degli alimenti ed applicazioni per uso medicale. Il naso elettronico può essere considerato come un sistema di sensori non specifici in grado di generare segnali elettrici in seguito all interazione con i componenti volatili, in particolar modo vapori o aromi prodotti da sostanze alimentari o presenti nell'aria, e in grado di portare, attraverso l analisi multicomponente dei dati e l'applicazione di tecniche di Pattern Recognition, alla possibilità di discernere, riconoscere e classificare gli odori. In particolare un sistema complesso è essenzialmente costituito da: un campionatore per il prelievo in modo controllato e riproducibile del campione da esaminare, la parte sensibile, costituita da un certo numero di sensori di gas o vapori opportunamente selezionati per la rivelazione delle molecole gassose presenti nell aroma degli oli d oliva, l elettronica di controllo che alimenta i sensori e ne legge le risposte il software di controllo e di elaborazione dati che elabora la risposta dei diversi sensori classificandola sulla base delle istruzioni avute per il riconoscimento. un PC per la gestione dell intero sistema 12
17 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici Esso ha come scopo quello di classificare e riconoscere i pattern chimici come appartenenti a classi caratterizzate da proprietà macroscopiche, come la qualità e la commestibilità di un alimento, la qualità dell'aria oppure la distinzione delle diverse fasi di un processo industriale. In questo contesto, quindi, risulta rilevante misurare l effetto collettivo di tutte le specie chimiche o di una parte, componenti un aroma, sulla matrice dei sensori. I pattern chimici, che caratterizzano un ambiente sotto misura, vengono trasdotti dai sensori nel pattern di risposta del naso elettronico che ha una dimensionalità ridotta rispetto al pattern chimico ed è essenzialmente una combinazione dei suoi elementi, tale combinazione è data proprio dalle caratteristiche intrinseche di selettività e sensibilità dei sensori che compongono il naso elettronico. Esso funziona tanto meglio quanto più il processo di trasduzione del pattern chimico nel pattern del naso elettronico conserva le proprietà di classificazione del pattern chimico stesso. Una tra le più interessanti applicazioni riguarda l industria agro-alimentare. E ben noto, infatti, che nell industria alimentare, sia quella che adotta metodi tradizionali frutto di una evoluzione quasi millenaria, sia quella più moderna ed innovativa, è sentita l esigenza di monitorare e controllare processi produttivi, le materie prime, la qualità e la classificazione del prodotto finito. Ciò vale sia per i prodotti innovativi, introdotti per rispondere alle più svariate esigenze del consumatore, (soprattutto alle esigenze di qualità sempre più elevata) sia per i prodotti tradizionali. Nel settore oleario, per esempio, tali problematiche risultano particolarmente importanti ed interessanti soprattutto perché legate, da una parte all esigenza di prevenire e sventare i molteplici tentativi di sofisticazione dell olio d oliva (con svariati metodi e facendo uso di diverse sostanze), dall altra quello di promuovere un miglioramento qualitativo dei prodotti ed una loro valorizzazione commerciale. Nasce allora, la necessità di avere a disposizione metodi in grado di riconoscere e classificare i vari oli, soprattutto nell ottica dell introduzione della Denominazione di Origine Protetta (DOP). A tale scopo diventa fondamentale mettere a punto dei metodi sperimentali per la valutazione oggettiva di alcune proprietà dell olio, ed in particolar modo per il riconoscimento del suo luogo d origine (provenienza geografica). Bisogna,inoltre, 13
18 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici mettere a punto un sistema di analisi e monitoraggio dei processi di qualità e di specifica di prodotto (quando queste possono essere caratterizzate da un odore o da un aroma cioè, più correttamente, dalla presenza di sostanze volatili), automaticamente capace di trattare numerosi campioni con una precisione media, ma sufficiente per determinare se la produzione è corretta o non corretta oppure per classificare il prodotto senza l intervento continuo di un panel di esaminatori di analisi sensoriale. La messa a punto di un naso elettonico permetterebbe in questo caso di avere uno strumento in grado di identificare, riconoscere e misurare in modo rapido, oggettivo e riproducibile gli attributi, sia positivi che negativi, della qualità degli oli d oliva prodotti. I settori tradizionali di applicazione dei sensori di gas rimangono tuttavia il monitoraggio ambientale e la rivelazione di specie tossiche (quali gli ossidi di azoto NO e NO2, monossido di carbonio CO e ozono O3). In questo caso permetterebbe di effettuare la valutazione della qualità dell aria, attualmente basata principalmente sulla misura delle concentrazioni degli inquinanti in 14
19 Capitolo 1 Sensori di gas e nasi elettronici aria, misura che viene effettuata con tecniche di riferimento basate su metodi chimici, fisici o biologici. Le attuali reti di rilevamento sono quindi costituite da costose e sofisticate stazioni di controllo fisse in cui vengono effettuate misure in continuo di specifici inquinanti. In realtà, il controllo della qualità dell aria, è solo un aspetto dello studio dell inquinamento atmosferico, che prevede, più in generale, l analisi di un sistema complesso quale è l ambiente atmosferico. A fianco quindi delle reti di rilevamento, vengono utilizzate altre tecniche di misura, non necessariamente continue, quali i campionatori passivi, i bioindicatori vegetali ed il telerilevamento (DOAR, LIDAR, SODAR, SAR), che permettono di integrare le informazioni fornite dalle reti di rilevamento sia dal punto di vista chimico, sia della fisica dell atmosfera. Da ciò, si comprende che la valutazione della qualità dell aria, richiede un sistema integrato di misure e modelli che consenta, nel suo complesso, di fornire un valido supporto alla gestione degli interventi e delle opere di risanamento. E proprio nell ambito di tale ottica di integrazione e complementarità di tecniche diverse, che il naso elettronico potrebbe avere un ruolo fondamentale in quanto, grazie al basso costo, dimensioni ridotte, alta sensibilità e riproducibilità, potrebbe ridurre gli elevati costi di spesa e manutenzione della strumentazione analitica delle numerose stazioni di monitoraggio che, attualmente, sono necessarie per assicurare un controllo adeguato della qualità dell aria. 15
20 CAPITOLO 2 STATO DELL ARTE DEL FRONT-END 2.1 Premessa 2.2 Esempio di conversione mediante compressione logaritmica 2.3 Esempio di conversione resistenza-tempo 2.4 Conclusioni 16
21 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end 2.1 PREMESSA Negli ultimi anni, l attività di ricerca nel settore dei sistemi di monitoraggio di gas e, in particolare, dei cosiddetti nasi elettronici, ha subito un forte impulso per via delle numerose applicazioni di questi dispositivi in diversi campi (dal monitoraggio ambientale, alla domotica, al controllo dei processi industriali) ma, soprattutto, per il basso costo, l alta riproducibilità, nonché il sempre più accurato grado di precisione delle misurazioni effettuate su ampia dinamica. Pertanto, scopo di questo lavoro di tesi è di progettare un circuito di interfaccia multicanale intelligente in forma integrata (FRONT-END) per un sistema di monitoraggio ambientale, capace di riconfigurarsi a seconda delle caratteristiche del naso elettronico (nel caso considerato in questo lavoro di tesi, si ha un array di 4 sensori) a cui è collegato e di fornire in uscita una rappresentazione digitale della grandezza letta sui sensori. Nella maggior parte dei sistemi di monitoraggio di gas presenti al giorno d oggi in letteratura, lo sforzo progettuale maggiore è sempre stato dedicato allo sviluppo dei sensori, mentre per i circuiti di interfaccia ed elaborazione dei dati sono stati sfruttati, anche nelle realizzazioni più recenti, componenti discreti off the shelf montati su schede stampate (PCB). I circuiti così ottenuti richiedono di essere adattati di volta in volta alle caratteristiche del sensore, consumano parecchio e sono abbastanza ingombranti, non risultando quindi adatti per applicazioni portatili. La realizzazione dei circuiti di interfaccia in forma integrata, quindi, potrebbe ovviare a questi inconvenienti, portando alla realizzazione di un sistema di monitoraggio di gas altamente innovativo. Tuttavia, l aspetto più significativo e problematico del front-end è legato, indubbiamente, alla scelta del convertitore e della rete di condizionamento e quindi alla modalità di conversione ed ai conseguenti gradi di risoluzione che da essa possono scaturire. Da qui, l attento ed accurato studio di alcune forme di conversione già presenti in letteratura, quali: la conversione diretta o lineare, la conversione logaritmica [1] e la conversione resistenza-tempo [2]. Queste forme di conversione hanno trovato un giusto compromesso in una innovativa conversione SEMILOGARITMICA (descritta ampiamente nel capitolo 3), che ha permesso di ottenere la risoluzione richiesta (dello 0.1%) con l utilizzo di soli 13bit per quanto riguarda l ADC. Inoltre viene presentata una nuova forma di conversione resistenza-tempo (ampiamente descritta nel capitolo 4) che, non necessitando di un complesso sistema di calibrazione (come nel caso della 17
22 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end conversione semilogaritmica), permette di ottenere una soluzione più economica e di semplice utilizzo per la realizzazione del circuito di interfaccia, rispettando le specifiche di progetto in termini di linearità, precisione ed adattabilità ad un ampio range di resistenze. 2.2 ESEMPIO DI CONVERSIONE MEDIANTE COMPRESSIONE LOGARITMICA In letteratura esistono diversi esempi di circuiti basati sulla conversione logaritmica per leggere sensori di gas. Per effettuare questo tipo di conversione, ad esempio in [1] (Figura 2.1), è stato utilizzato un sistema di sensori di gas fabbricati in tecnologia CMOS che comprende: una micro-membrana ricoperta da biossido di stagno (SnO 2 ), un controller digitale per la temperatura, un convertitore logaritmico per le resistenze del biossido di stagno ed un interfaccia seriale. I sensori di gas basati sulle micro-membrana, sono motivo di forte interesse in quanto la miniaturizzazione ed integrazione monolitica del trasduttore e del circuito, offre vantaggi significativi come minore consumo di potenza, minori costi e la possibilità di applicare nuove modalità operative. Il biossido di stagno mostra un elevata sensibilità ai gas ambientali come il monossido di carbonio (CO) e il metano (CH 4 ) ed è quindi ampiamente impiegato nei sistemi di rilevamento a singola soglia per scopi di sicurezza. Lo strato sensibile di biossido di stagno è trattato a temperature tra 200 C e 350 C e cambia la sua conduttività nei confronti dell esposizione dei gas. 18
23 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end Figura 2.1- Diagramma a blocchi del sistema di sensori Come si vede dal diagramma a blocchi, il circuito può essere raggruppato in tre unità funzionali: 1) il loop per il controllo della temperatura; 2) misura della temperatura del bulk del chip; 3) misura della resistenza del biossido di stagno. I blocchi circuitali più importanti comprendono: un controllore di temperatura digitale programmabile PID, un registro per i parametri del controllore di temperatura, 3 convertitori A/D, 3 compensatori offset programmabili, una sezione di pilotaggio del riscaldatore, un convertitore D/A, un generatore di polarizzazione (BIAS), un sensore di temperatura per il bulk del chip, un convertitore logaritmico e una interfaccia seriale a due fili I 2 C (tutti i circuiti di pilotaggio e di conversione A/D necessari sono realizzati sul chip). 19
24 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end Figura Schema del loop di controllo della temperatura e del circuito che realizza la media geometrica La temperatura della membrana è misurata usando un resistore in poli-silicio come sensore di temperatura (Figura 2.2). Questi è collegato a un generatore di corrente indipendente dalla temperatura. La caduta di tensione sul resistore, è filtrata e convertita in digitale usando un convertitore A/D a 10 bit ad approssimazioni successive. Il controllore digitale di temperatura PID è implementato con un filtro con una funzione di trasferimento biquadratica. I suoi ingressi sono il segnale di feedback della temperatura di membrana e la temperatura di riferimento entrambe rappresentate con 10 bit. L uscita del controllore digitale di temperatura è convertito in analogico usando un convertitore D/A a 10 bit (V CONTROL ). La linearizzazione del rapporto tra V CONTROL e la potenza dissipata dal resistore di poli-silicio, facilita il calcolo dei parametri ottimali per il controllore digitale di temperatura PID. La linearizzazione, che viene effettuata con un convertitore tensione-corrente e un circuito che relazione la media geometrica, è descritta in seguito. La tensione di controllo pilota il convertitore tensione-corrente che alimenta il riscaldatore. Il resistore in poli-silicio, usato nel convertitore, è localizzato sulla membrana in modo da essere alla stessa temperatura del riscaldatore R HEATER. 20
25 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end Questa configurazione elimina la dipendenza dalla temperatura del coefficiente di proporzionalità tra V CONTROL e la potenza dissipata da R HEATER come mostrato nell equazione: P HEATER = I GAIN 2 m 4 R R HEATER REF V CONTROL La corrente di uscita del convertitore tensione-corrente è la corrente di ingresso del circuito che realizza la media geometrica. Esso è realizzato usando un loop translineare PMOS (transistor M 1, M 2, M 3, M 4 ), che lavora nella regione di saturazione. La corrente di uscita del circuito è poi amplificata di un fattore m prima di essere utilizzata per alimentare R HEATER. Il circuito che realizza la media geometrica può essere anche utilizzato per regolare il guadagno di anello del sistema cambiando il valore del guadagno di corrente. La temperatura del chip è valutata attraverso la differenza di tensione tra una coppia di transistor PNP verticali connessi a diodo che lavorano a differente densità di corrente. La resistenza dello strato sensibile di SnO 2 può variare in un ampio range (da 1k a 10M ). Pertanto è necessario utilizzare un convertitore logaritmico (Figura 2.3), costituito da un convertitore tensione-corrente e da una coppia di transistor PNP connessi a diodo. Il range di ingresso del convertitore logaritmico può essere modificato con la corrente di riferimento (I REF_LOG ). La temperatura del chip è usata per compensare la dipendenza dalla temperatura del convertitore logaritmico. 21
26 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end Figura Convertitore logaritmico usato per il resistore al biossido di stagno 2.3 ESEMPIO DI CONVERSIONE RESISTENZA-TEMPO Il secondo tipo di conversione che verrà preso in esame in questo capitolo viene effettuato con un interfaccia a basso costo, utilizzata per sensori ad alto valore di resistenza in un ampio range dinamico (dal k al M ). Il circuito esaminato, agisce come un convertitore resistenza-tempo ed è adatto per essere interfacciato ad un microcontrollore tramite un dispositivo di conteggio. Alcuni sensori sono in grado di monitorare la concentrazione di alcoli selettivamente al livello di parti per milione (ppm) ma, attualmente, essi richiedono strumentazioni di laboratorio ad alto costo e sofisticate procedure di calibrazione. Infatti, essi appaiono come sensori resistivi il cui valore di base può variare da qualche MΩ a più di un GΩ; in presenza di alcoli come etanolo, metanolo o propanolo, il valore di resistenza diminuisce di più di un ordine di grandezza, anche con una concentrazione di meno di 10000ppm. Generalmente questi sensori sono alimentati da un generatore di tensione ad alta stabilità (tensione in DC intorno a 1V) e un pico-amperometro ad alta risoluzione è utilizzato per valutare la corrente. Il valore di resistenza è dato dal rapporto fra tensione 22
27 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end e corrente e la risposta del sensore è di solito definita come la variazione relativa alla resistenza, che è R / R air. L interfaccia elettronica completa richiede anche un riscaldatore (HEATER) per mantenere la temperatura del sensore nell ordine dei 400 C, dove la risposta del sensore è massima. In aggiunta questi sensori sono spesso assemblati in matrici realizzando dei nasi elettronici. Di conseguenza è molto importante limitare il costo e le dimensioni dei circuiti elettronici volti al singolo elemento sensibile. Se un approccio A/D è usato per convertire un segnale di tensione che varia su molte decadi, verrebbe richiesta una risoluzione molto elevata. Se occorre coprire 6 decadi (dai kω ai GΩ) con una risoluzione relativa dell 1% sull intero range, è necessario almeno un approccio a 27 bit (log = 26.6). Un circuito elettronico a 27 bit di risoluzione sembra inadatto come soluzione a basso costo. In questi casi, alcuni circuiti multiscala possono essere utilizzati per ridurre la risoluzione necessaria; infatti, se il range totale è diviso in tre parti (un range tra 10Ω e 1MΩ, il secondo tra 1MΩ e 100MΩ e il terzo tra 100MΩ e 10GΩ), la risoluzione richiesta per l ADC diminuisce a 14 bit. Questo tipo di soluzione aumenta la complessità della procedura di lettura e di calibrazione; inoltre, è importante notare che è necessario un circuito elettronico a basso rumore, ma gli interruttori discreti a basso costo, necessari per adattare il fattore di misura nella fase di calibrazione, sembrano essere inappropriati per rispettare la risoluzione desiderata. Per risolvere tali problemi e poter usare largamente questi sensori, è stato sviluppato un circuito elettronico compatto e a basso costo, capace di gestire valori di resistenza ad ampio range e precisamente da 10kΩ a 10GΩ. Il circuito di interfaccia poi con un micro-controllore; infatti, per realizzare un naso elettronico, occorre considerare più di un elemento sensibile e il risultato finale che si ottiene è il risultato di varie analisi, secondo la teoria della pattern recognition. Le misurazioni del tempo e della frequenza sono facili da effettuare anche in un ampio range: per esempio, anche un sistema di conteggio semplice, che può essere effettuato in un dispositivo logico programmabile (PLD), è adatto a misurare la frequenza nel range da 1Hz ad 1MHz. Se viene adottata una frequenza di clock di 10MHz e viene scelto un tempo di misura (tempo di gate) intorno a 1, una risoluzione di 10-7 può essere raggiunta utilizzando 2 contatori a 24 bit. 23
28 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end Grazie all elevata capacità dei moderni PLD, il semplice circuito può essere duplicato per ogni elemento sensibile senza aumentare la complessità dei circuiti elettronici, che sono composti, appunto, dal PLD e dal microcontrollore. Per questa ragione, un convertitore resistenza-tempo può essere utilizzato come circuito di condizionamento del segnale adatto come interfaccia per sensori resistivi che variano in un ampio range. Come si può ben vedere in figura 2.4, questo tipo di circuito è di semplice realizzazione in quanto non necessita, a differenza della conversione logaritmica, di un complesso sistema di calibrazione, risultando quindi più economico. Tuttavia, richiede dei tempi più lunghi di misura per valori di resistenza del sensore elevati, sempre nel rispetto delle specifiche di progetto in termini di linearità, precisione ed adattabilità ad un vasto range di resistenze, prerogative tali da renderlo comunque adatto alla risoluzione del problema front-end. Figura Schema a blocchi del convertitore resistenza-tempo Secondo lo schema dell oscillatore tradizionale, la corrente che fluisce nell elemento resistivo R sens, alternativamente carica e scarica la capacità C con una corrente costante, sotto la ragionevole ipotesi che R sens non vari significativamente durante l intero intervallo. La variazione del periodo T di oscillazione, che risulta lineare, dipende dal valore di R sens. Poiché la soglia V t è in relazione lineare con il riferimento di tensione V in secondo la formula V t = V in G, il periodo T c di commutazione (T = 2T c ) non è influenzato dal 24
29 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end valore V in. Infatti, se noi supponiamo di alimentare il circuito con V in connesso a V a, la tensione di integrazione d uscita (V op ) decresce linearmente fino a raggiungere la soglia V t = V in G = -V a G. A questo punto, il comparatore d uscita fa commutare l interruttore, connettendo V in a V a e quindi V t = -V in G = V a G Ora, la tensione V op (t) sale linearmente da V op (0) = -V a G a V t = V a G. Il tempo T c, tra due commutazioni consecutive, è indicato nell equazione: V op t Vin Tc ( t) = Vop ( t) dτ Vop ( Tc ) = V a G = GV 0 RsensC RsensC T c =2GR sens C T=2T c =4GR sens C a dove viene mostrato che il periodo T di oscillazione può essere misurato facilmente, per esempio applicando una tecnica di conteggio, conosciuta propriamente con il nome di CET (metodo del tempo trascorso costante), al segnale di uscita. Il metodo CET viene implementato tramite due contatori: il primo è sensibile ai fronti di salita del segnale di ingresso, mentre il secondo è sensibile ai fronti di salita del segnale di riferimento (segnale di clock). La stima del periodo T è calcolata come il rapporto del numero degli impulsi di clock N ck, che avvengono in un tempo fissato T g (tempo di gate) e il numero N p di impulsi che avvengono nello stesso tempo, moltiplicato per il periodo di clock T ck. Poiché la risoluzione relativa T / T è limitata da T ck / T g, valori apprezzabili possono essere facilmente ottenuti. Se questo metodo è applicato al circuito proposto, il valore R sens può essere ottenuto partendo dai risultati dei due contatori N p e N ck, secondo l equazione: 25
30 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end N T N ck T = Rsens = = Tck N 4GC 4GCN ck Tck p p Il calcolo di R sens suppone che il valore di G e C siano stabili, per esempio, rispetto alla temperatura e ad altre quantità relative. Il periodo di clock T ck, generato da un oscillatore di riferimento con meno di 100ppm/ C come variazione relativa rispetto della temperatura, può essere considerato come elemento stabile se confrontato con il valore del condensatore C (Figura 2.5). Figura 2.5 -Circuito di conversione resistenza tempo 2.4 CONCLUSIONI Le tecniche di conversione attentamente esaminate in questo capitolo, sono state scartate o modificate per poter essere adattate alle esigenze progettuali del front-end da realizzare. 26
31 Capitolo 2 Stato dell arte del front-end La tecnica di conversione diretta (o lineare), è stata ritenuta una soluzione non ottimale in quanto, come descritto precedentemente, richiederebbe 27 bit per la conversione. Più interessante risulta invece, la conversione di tipo logaritmico proposta nel paragrafo 2.1. Essa offre, tuttavia, una precisione inferiore all 1% (dovuta alle non-linearità dei BJT verticali dello schema in Figura 2.3), insufficiente se rapportata alle specifiche di progetto del front-end da realizzare. Una soluzione proposta sarà di tipo SEMILOGARITMICO. In altre parole, verrà realizzata una rete di condizionamento multi-scala in cui il valore massimo accettabile per ciascuna di esse sarà scalato in peso logaritmico (questa soluzione verrà descritta nel capitolo 3). Una soluzione alternativa basata sulla conversione resistenza-tempo è stata ottenuta modificando lo schema di Figura 2.4, che risultava troppo sensibile alle capacità parassite ed alle non linearità dovute al fatto che il sensore stesso facesse parte del circuito oscillante. Disaccoppiando il sensore dall oscillatore, per mezzo di specchi di corrente ad elevata precisione, si è reso il sensore insensibile ai parassiti e indisturbato, in termini di linearità, dalle ampie variazioni di tensione dell oscillatore (conversione RESISTENZA-TEMPO proposta nel capitolo 4). 27
32 CAPITOLO 3 FRONT-END CON APPROCCIO SEMILOGARITMICO 3.1 Premessa 3.2 Struttura del front-end 3.3 Approccio semilogaritmico 3.4 Dettagli del progetto 3.5 Risultati delle simulazioni 3.6 Conclusioni 28
33 Capitolo 3 Front-end con approccio semilogaritmico 3.1 PREMESSA Come accennato nel capitolo 2, i sistemi di monitoraggio di gas e, in particolare, i nasi elettronici sono dispositivi che hanno avuto e stanno avendo un forte sviluppo per via delle numerose e sempre più svariate applicazioni in diversi campi, dal settore agroalimentare, alla sicurezza (per la rilevazione di gas tossici), al controllo di combustione, al controllo dei processi industriali, nonché al controllo della qualità dell aria (da qui l utilizzo dei sensori di gas oggetto di questo lavoro di tesi). Caratteristica comune di quasi tutti i sensori di gas, come già visto nel capitolo 1, è la bassa selettività, ovvero la sensibilità a diversi gas contemporaneamente. Per ovviare a questo inconveniente e utilizzare questi dispositivi in applicazioni reali, occorre combinare le uscite di numerosi sensori diversi fra loro in modo da riuscire ad ottenere con tecniche di pattern recognition quella selettività che il singolo sensore non è in grado di fornire. Risulta quindi evidente che, nel campo dei nasi elettronici, l elettronica di interfaccia e di elaborazione dei dati viene a rivestire una grande importanza. Infatti, la mancanza di sinergia sensore-interfaccia già a livello di progettazione non permette di ottimizzare le prestazioni in termini di capacità risolutiva del sistema nei confronti dei diversi gas. Spesso questa ultima limitazione è dovuta al fatto che i sensori di gas da utilizzati, sono dispositivi a semiconduttore che, dal punto di vista elettrico, si comportano come resistori la cui resistenza varia con la concentrazione dei gas, ma anche in seguito agli effetti di invecchiamento ed alle diverse tipologie di gas da monitorare. Il valore di resistenza a riposo, ovvero in assenza di gas (baseline) può variare nello stesso sensore nel corso del tempo anche di tre decadi, mentre tra sensori nominalmente uguali questa variazione può raggiungere quattro ordini di grandezza. Ovviamente questo introduce notevoli difficoltà nella realizzazione di un circuito di interfaccia che sia in grado di funzionare su tutto il risultante intervallo di variazione di resistenza, senza alcuna fase di aggiustamento compiuta dall operatore, situazione che invece è tipica nei sistemi attualmente in commercio. Nei circuiti di interfaccia realizzati con componenti discreti, questo problema poteva essere risolto andando a sostituire alcuni componenti in base alle caratteristiche del sensore. Questo però non può, per ovvie ragioni, essere fatto in 29
34 Capitolo 3 Front-end con approccio semilogaritmico circuiti di interfaccia integrati. Infatti, attualmente in commercio non esistono circuiti completamente integrati in grado di gestire un segnale del tipo appena descritto. Esistono, tuttavia, numerosi circuiti integrati (circuiti di interfaccia o front-end) per sensori resistivi (anche se con intervalli di variazione di resistenza notevolmente inferiori) basati su metodi di ponte oppure su metodi volt-amperometrici che sfruttano amplificatori operazionali retroazionati oppure su risuonatori, che potrebbero ovviare a questi inconvenienti, portando alla realizzazione di un sistema di monitoraggio di gas altamente innovativo. Per quanto riguarda il controllo dei parametri dei sensori grande attenzione è stata rivolta al controllo ed alla stabilizzazione della temperatura. La temperatura è infatti un parametro cruciale nei sensori di gas a semiconduttore in quanto le interazioni che si stabiliscono tra analiti e materiale sensibile sono sempre governate da processi con una determinata energia di attivazione, per cui risultano fortemente sensibili alla temperatura di lavoro. La temperatura gioca quindi un ruolo importante nella definizione delle caratteristiche sensoriali come la sensibilità e la selettività che sono di grande importanza per le matrici dei sensori. Nei sensori resistivi ad ossidi metallici semiconduttori (ad esempio SnO 2 ) è possibile moltiplicare virtualmente il numero dei sensori di una matrice cambiando di volta in volta la temperatura di lavoro dei sensori ed il tipo di metallo catalitico. Da questo punto di vista la temperatura è considerata non solo un parametro da controllare per assicurare un comportamento costante del sensore ma un parametro da attuare per modificare le prestazioni del sensore stesso ed ampliare la mole di informazioni estratte dalla matrice sensoriale. È quindi interessante dal punto di vista della validità scientifica e dell interesse industriale, lo sviluppo di un sistema miniaturizzato, a bassa potenza, in cui l interfaccia elettronica si adatti alla impedenza del sensore utilizzato (variabile in funzione del tipo e dell entità del processo di assorbimento), variando l impedenza di ingresso del preamplificatore in modo da ottenere il minimo rumore possibile e, come conseguenza, la massima risoluzione ottenibile per ogni variazione delle caratteristiche elettriche del sensore stesso. Tale sistema sarà costituito da una matrice composta da un certo numero di sensori di gas a semiconduttore, da un circuito integrato analogico-digitale multicanale per la 30
35 Capitolo 3 Front-end con approccio semilogaritmico lettura e la digitalizzazione dei dati dei suddetti sensori e da un circuito di elaborazione digitale dei segnali acquisiti. La struttura globale del sistema è tale per cui l uscita di un amplificatore di transresistenza programmabile a tempo continuo è seguito da un convertitore A/D a capacità commutate di tipo incrementale con struttura di tipo differenziale. Un DSP ha lo scopo di riprogrammare il primo stadio in modo da scegliere la scala corretta e correggere le non idealità per raggiungere la risoluzione voluta, o meglio la precisione di 0.1% su un range di 5 decadi come richiesto dai moderni sistemi di pattern recognition (o cosiddetti software per naso elettronico). E stata inoltre presa una particolare accortezza per abbassare il consumo di potenza. 3.2 STRUTTURA DEL FRONT-END In genere, la prima parte del circuito di interfaccia del singolo canale prevede un preamplificatore, le cui prestazioni di rumore saranno ottimizzate in maniera automatica a seconda della resistenza presentata dal sensore a riposo (baseline) in modo da evitare eccessi di rumore dovuti al mismatch dell impedenza. Questa peculiarità permetterebbe di massimizzare la risoluzione e la sensibilità dell intero sistema di monitoraggio. In aggiunta, per ottimizzare le prestazioni del convertitore A/D seguente, il preamplificatore deve anche essere capace di auto-calibrare la propria tensione in uscita ad un valore ottimale prefissato indipendente dal valore della baseline del sensore collegato. Questa operazione può essere realizzata o con tecniche completamente analogiche o, eventualmente, tramite un algoritmo digitale che acquisisce il segnale all uscita del convertitore A/D e riporta il risultato dell elaborazione nel dominio analogico tramite un DAC. Questa operazione di auto-calibrazione è di notevole impegno vista l escursione di tre ordini di grandezza della baseline anche per sensori omologhi, semplicemente per invecchiamento. Inoltre, anche il guadagno dell amplificatore deve essere calibrato in modo da far sì che il segnale di uscita copra l intera dinamica (fissa) del convertitore A/D seguente. Occorre notare che se la baseline del sensore può variare di tre ordini di grandezza, anche il guadagno del preamplificatore deve esibire la stessa capacità di adattamento. Inoltre, l utilizzo delle 31
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