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Microcomponentistica per l'analisi e il monitoraggio di inquinanti atmosferici

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2° Presentazione del Workshop Finale del Progetto IPA/BC-Monitor

Il progetto IPA/BC-Monitor ha sviluppato un sistema innovativo, compatto e standalone, per la misura online di due componenti chiave del particolato atmosferico, IPA e BC.

Sito web del progetto: www.ipabcmonitor.it

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Microcomponentistica per l'analisi e il monitoraggio di inquinanti atmosferici

  1. 1. Micro-componentistica per l'analisi e il monitoraggio di inquinanti atmosferici Enrico Cozzani 27/06/2018
  2. 2. IPABC 2 Overview Definizione di MEMS Tecnologia microelettronica Competenze di CNR-IMM e PROAMBIENTE Esempi di sistemi gas-cromatografici MEMS-based Esempi di micro-componenti e micro-sistemi per analisi ambientale sviluppati da CNR-IMM e PROAMBIENTE I MEMS nel progetto IPA-BC Monitor
  3. 3. IPABC 3 Definizione MEMS (Micro Electro Mechanical System): dispositivi di varia natura (meccanici, elettrici ed elettronici) integrati in forma altamente miniaturizzata su uno stesso substrato di materiale semiconduttore (es. silicio). Sono sistemi "intelligenti" che abbinano differenti funzioni (elettroniche, ottiche, biologiche, chimiche, meccaniche….) e realizzati in un volume ridottissimo.
  4. 4. IPABC 4 Obiettivo: realizzare il numero di dispositivi più elevato possibile su un unico wafer di silicio (fetta circolare di diametro variabile e spessore tipicamente di 0.5mm). Tecnologia microelettronica Il wafer può essere lavorato sulle due facce, tipicamente con due modalità: 1) Scavi (rimozione chimica del silicio). 2) Deposizioni (di materiali metallici o ossidi).
  5. 5. IPABC 5 Tecnologia microelettronica Insieme di regole e procedure che definiscono il flusso di realizzazione (PROGETTAZIONE E FABBRICAZIONE): 1) Progettazione:  Disegno CAD del layout dei dispositivi.  Simulazione multi-fisica (2D o 3D) del dispositivo.  Realizzazione delle maschere litografiche per il trasferimento del layout geometrico dei dispositivi sulla fetta di silicio.
  6. 6. IPABC 6 2) Fabbricazione: Tecnologia microelettronica  Processo fotolitografico: impiego di maschere (lastre di cromo e quarzo) che, sfruttando una radiazione UV incidente ed un materiale foto-sensibile, permettono di trasferire le geometrie disegnate al CAD sulla fetta di silicio.  Taglio dei dispositivi: per separare i diversi chip, viene effettuata una serie di tagli (longitudinali e trasversali) sul wafer tramite apposita lama di precisione.  Test dei singoli dispositivi.
  7. 7. IPABC 7 Tutti i passi del processo fotolitografico di fabbricazione avvengono all’interno di una «CLEAN ROOM», un ambiente caratterizzato dalla presenza di aria a bassissimo contenuto di microparticelle di polvere. Tecnologia microelettronica Es. CLEAN ROOM di CLASSE 100: in 1m3 si contano meno di 100 particelle con diametro > 0.5µm.
  8. 8. IPABC 8 Competenze di CNR-IMM e PROAMBIENTE Clean Room di 250m2 in CLASSE 100 per la lavorazione di wafer di silicio di diametro pari a 10cm (4") Sistemi di caratterizzazione dispositivi (elettrica, termica e funzionale) Progettazione CAD e simulazione dei dispositivi
  9. 9. IPABC 9 CNR-IMM e PROAMBIENTE Da circa 20 anni CNR-IMM (+ PROAMBIENTE dal 2013) sta portando avanti una attività di ricerca volta alla miniaturizzazione di strumenti per applicazioni nel campo della chimica analitica (in particolare, sviluppo di MEMS per realizzare sistemi di monitoraggio della qualità dell’aria). Questi sistemi si basano sulla tecnica analitica della GAS- CROMATOGRAFIA, che consente di rilevare separatamente i singoli composti che costituiscono una miscela complessa (es. ARIA AMBIENTE).
  10. 10. IPABC 10 GAS-CROMATOGRAFIA Colonna di separazione Gas-cromatografica Rivelatore Time CROMATOGRAMMA Pompa di campionamento carriergas loop iniettore ingresso campione Se la concentrazione dell’analita da misurare è bassa, a monte della colonna di separazione viene inserito un elemento pre- concentratore, caratterizzato da un volume ridotto, al cui interno il campione viene raccolto e successivamente rilasciato termicamente verso la colonna di separazione.
  11. 11. IPABC 11 GAS-CROMATOGRAFI 2) Gas-cromatografo trasportabile (analisi ON-LINE)1) Gas-cromatografo da banco (analisi OFF-LINE) Possibilità di realizzare iniettore, colonna e detector con tecnologie MEMS
  12. 12. IPABC 12 SISTEMI GAS-CROMATOGRAFICI MEMS-BASED: ESEMPI 2016 2006 Pittcon 2013 2009
  13. 13. IPABC 13 SISTEMI GAS-CROMATOGRAFICI MEMS-BASED: ESEMPI FUSION microGC (INFICON) Iniettore MEMS Rivelatore MEMS FROG-4000 (DEFIANT) Pre-concentratore MEMS Colonna GC MEMS I-GRAPH-XS (I-GRAPH-X) Iniettore MEMS Colonna GC MEMS Rivelatore MEMS
  14. 14. IPABC 14 PyxisGC per analisi di BTEX SPECIFICHE TECNICHE SOSTANZE RILEVATE BTEX (Benzene, Toluene, Etilbenzene, Xilene) TEMPI DI ANALISI 15 – 60min, configurabile dall’utente DETECTOR PID (lampada 10.6eV) COLONNA GC MEMS impaccata, lunghezza = 55cm TEMP. COLONNA Fino a 180°C PRE-CONCENTRATORE MEMS GAS DI TRASPORTO Aria ambiente filtrata, < 20mL/min LIMITE DI RILEVABILITA’ 0.25ppb Benzene, ciclo misura 15 min FLUSSO DI CAMPIONAMENTO 100 – 250 mL/min DIMENSIONI E PESO 12 x 11 x 6.5 cm3, 1.9 kg CONSUMO DI POTENZA 12V, 10W (picco 24W) TEMP. DI LAVORO 10 – 30°C
  15. 15. IPABC 15 1) Pre-concentratore Chip in silicio-vetro, dimensioni 25x14x0.8 mm3 12 chip in un wafer di diametro 10cm CNR-IMM E PROAMBIENTE: COMPONENTI MEMS PER GC
  16. 16. IPABC 16 2) Colonna di separazione (impaccata) Chip in silicio-vetro, dimensioni 25x25x0.8 mm3, lunghezza colonna 55cm 7 chip in un wafer di diametro 10cm
  17. 17. IPABC 17 MEMS PER FAST GC 1) Iniettore Chip in silicio, dimensioni 12x12x2 mm3 32 chip in un wafer di diametro 10cm
  18. 18. IPABC 18 MEMS PER FAST GC 12 chip in un wafer di diametro 10cm 2) Colonna di separazione (capillare) Chip in silicio, dimensioni 20x20x0.8 mm3, colonna di sezione circolare (φ = 75µm) e lunghezza 3.5m
  19. 19. IPABC 19 MEMS PER FAST GC 3) Rivelatore di conducibilità termica Chip in silicio-vetro, dimensioni 5x5x0.8 mm3 220 chip in un wafer di diametro 10cm
  20. 20. IPABC 20 MEMS & IPA-BC MONITOR Il prototipo dello strumento per l’analisi on-line di Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) e di Black Carbon (BC) è parzialmente costituito da componenti MEMS (in particolare, la parte relativa alla misura di IPA basata su tecnica GC). Campionatore di PM su filtro Desorbitore termico Sistema di iniezione Cartuccia di pre- concentrazione (MEMS) Colonna di separazione GC (MEMS) Detector +
  21. 21. IPABC 21 MEMS & IPA-BC MONITOR Colonna di separazione (capillare) Chip in silicio, dimensioni 20x20x0.8 mm3, colonna di sezione quadrata (80x80µm2) e lunghezza 5m 12 chip in un wafer di diametro 10cm
  22. 22. GRAZIE A TUTTI PER L’ATTENZIONE e.cozzani@consorzioproambiente.it

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