Caratterizzazione di sensori di gas chemoresistivi

Capitolo ​ ​1 
 
Introduzione 
 
Al giorno d’oggi la crescente preoccupazione per gli effetti causati          
dall’inquinamento atmosferico sulla salute e la sicurezza ambientale enfatizza la          
necessità di monitorare in tempo reale le condizioni dell’aria in cui viviamo. Per questo              
c’è un notevole interesse a livello scientifico e tecnologico per la ricerca e lo sviluppo di                
sensori dedicati al monitoraggio di parametri indicativi di questi effetti. Inoltre, lo            
sviluppo di dispositivi in grado di acquisire informazioni quantitative e qualitative su            
diversi tipi di gas con una grande sensibilità è ancora un settore di notevoli investimenti               
per ​ ​la ​ ​ricerca.  
Nella definizione più generale un sensore è un dispositivo in grado di generare un              
segnale, tipicamente elettrico, in risposta alla variazione di una grandezza fisica/chimica           
esterna (misurando). In particolare il sensore di gas ​è un dispositivo che rileva la              
presenza ​ ​di ​ ​uno ​ ​o ​ ​più ​ ​tipi ​ ​di ​ ​gas ​ ​all'interno ​ ​di ​ ​un ​ ​ambiente ​​ ​[1,2]. 
I sensori fanno ormai parte integrante della tecnologia, venendo incontro alla           
crescente esigenza di monitoraggio di grandezze fisiche e chimiche in particolari           
condizioni operative: in remoto, in tempo reale e in ambienti inaccessibili all’operatore            
umano ​ ​sia ​ ​per ​ ​eventuali ​ ​pericolosità ​ ​che ​ ​per ​ ​le ​ ​dimensioni.  
Il presente lavoro di tesi è inserito all’interno di un progetto di ricerca e sviluppo di                
sensori di gas chemoresistivi che si svolge all’interno della Fondazione Bruno Kessler:            
l'obiettivo del mio lavoro è stato la caratterizzazione di sensori resistivi in relazione alla              
variazione della resistenza in presenza del target che è il ​monossido di carbonio (CO). I               
sensori studiati presentano un substrato in quarzo e una pasta di ossido di stagno              
(SnO ​ 2 ​ ). La presente tesi esamina gli avanzamenti fatti sulle misure in diverse condizioni             
atmosferiche ​ ​per ​ ​la ​ ​caratterizzazione ​ ​del ​ ​sensore.  
L'elaborato è strutturato in tre parti principale: la prima tratta una descrizione            
teorica della tecnologia sulla quale si basano questi sensori; la seconda contiene la             
parte sperimentale; la terza tratta i risultati e la discussione; alla fine sono presentate le               
conclusioni ​ ​del ​ ​lavoro ​ ​svolto ​ ​e ​ ​indicare ​ ​prospettive ​ ​future.  
  
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Spero questa tesi possa essere un piccolo contributo per un grande per il             
raggiungimento di un obiettivo di vitale importanza per la salute e la salvaguardia             
ambientale… 
 
1.1 ​ ​​ ​​ ​​ ​Sensori ​ ​di ​ ​gas ​ ​basati ​ ​su ​ ​semiconduttori 
 
I sensori di gas a semiconduttore sono attualmente il tipo di sensori di gas più               
studiati (nel campo dei sensori di gas a stato solido). Questi hanno attratto l’attenzione              
di molti gruppi di ricerca per via delle loro caratteristiche peculiari ovvero il basso costo               
di produzione, la flessibilità di utilizzo e la semplicità d’uso. La nascita di questa              
categoria di sensori è attribuita a Taguchi che negli anni sessanta realizzò il primo              
sensore di gas ad ossido semiconduttore con pasta di SnO ​ 2 ​ , fondando poi in Giappone              
la ​ ​prima ​ ​azienda ​ ​di ​ ​sensori ​ ​a ​ ​base ​ ​di ​ ​ossidi ​ ​metallici, ​ ​la ​ ​“Figaro ​ ​Eng” ​ ​[1]. 
Al giorno d’oggi le aziende di sensori ad ossido semiconduttori sono numerose,            
come ad esempio Figaro, FIS Inc., SGX sensortech, UST (umwelt sensor technik) ,             
CityTech. Le applicazioni di questi sensori spaziano da un “semplice” dispositivo di            
allarme per il rilevamento di gas nocivi o esplosivi, a dispositivi per il controllo dei gas di                 
scarico ​ ​delle ​ ​automobili ​ ​o ​ ​per ​ ​il ​ ​controllo ​ ​della ​ ​qualità ​ ​di ​ ​prodotti ​ ​alimentari ​ ​[1].  
In questo capitolo sono presentati i sensori di gas descrivendone brevemente la            
struttura ed il funzionamento. Considerando che esistono diverse tipologie di sensori di            
gas, in questa sezione si è limitato ai sensori resistivi, che sono l’oggetto di studio di                
questa ​ ​tesi. 
 
1.2 ​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​Struttura ​ ​del ​ ​sensore ​ ​resistivo  
 
Un sensore di gas ad ossido semiconduttore è composto essenzialmente da una            
pasta con ossido metallico che viene deposta sul substrato. Il substrato per il sensore              
rappresenta sia il trasduttore, trasmette il segnale che il suo supporto meccanico, su cui              
vengono integrati i vari componenti. Costituisce quindi la strutturale. Sul substrato sono            
  
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integrati due circuiti elettrici, uno aperto e un riscaldatore [2], come mostrato nello             
schema ​ ​in ​ ​Fig. ​ ​1.1. ​ ​Nello ​ ​specifico: 
 
● Circuito riscaldatore ​: circuito elettrico chiuso che funge da resistenza. Viene          
stampato prima di porre l’isolante in modo da non interagire con il circuito             
aperto. Ha la funzione di riscaldatore per l’attivazione della pasta. Dal           
momento che la pasta è un ossido metallico quindi un semiconduttore è            
necessario che questa venga attivata termicamente per permette di condurre          
meglio ​ ​e ​ ​quindi ​ ​di ​ ​leggere ​ ​il ​ ​segnale.  
 
● Uno strato di ossido o nitruro di silicio che funge da isolante ​: questo strato è               
necessario per separare il circuito aperto dal riscaldatore provvedendo         
all'isolamento elettrico in modo da evitare influenza da parte della corrente           
impiegata per il riscaldamento. Viene richiesto che abbia anche buona          
stabilità termica per resistere alle alte temperature di impiego, dal momento           
che anche una rottura parziale potrebbe compromettere la validità del          
segnale ​ ​in ​ ​uscita. 
 
● Circuito aperto ​: circuito elettrico stampato sulla superficie del substrato. Esso          
viene mantenuto aperto in modo da poter permettere il passaggio di corrente            
attraverso ​ ​il ​ ​semiconduttore. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.1 Struttura di un substrato: (1) circuito resistore; (2) circuito aperto; (3) pasta sensibile;               
(4) ​ ​isolante. 
  
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Il substrato viene poi integrato in un supporto rigido che ne conferisce la struttura              
e la forma del sensore finale. Tramite bondaggio (tecnica che, tramite dei microfili in              
oro, permette la giuntura del substrato al ​packaging) il substrato viene installato in un              
supporto che delinea la struttura finale del sensore. Il ​packaging utilizzato è di una lega               
rame ferro e ricoperta da un sottile strato in oro, che ne conferisce la massima               
conducibilità’. ​ ​La ​ ​figura ​ ​1.2 ​ ​presenta ​ ​la ​ ​forma ​ ​finale ​ ​del ​ ​sensore. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. ​ ​1.2 ​ ​​ ​Immagini ​ ​rappresentative ​ ​del ​ ​sensore ​ ​di ​ ​SnO ​ 2 ​ ​​ ​ ​di ​ ​quarzo.  
 
 
 
1.3 ​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​I ​ ​MEMS ​ ​per ​ ​sensori ​ ​di ​ ​gas ​ ​ad ​ ​ossido-semiconduttore 
 
La tecnologia ​Micro-Electro-Mechanical System, MEMS è riconosciuta come la         
tecnologia più rivoluzionaria del ventunesimo secolo, in quanto capace di modificare in            
maniera ​ ​drastica ​ ​i ​ ​paradigmi ​ ​di ​ ​progettazione ​ ​dei ​ ​sistemi ​ ​elettronici ​ ​e ​ ​informatici ​ ​[3]. 
Con ​MEMS si intendono dispositivi che integrano elementi meccanici in un           
supporto ​ ​di ​ ​silicio ​ ​o ​ ​quarzo ​ ​di ​ ​dimensioni ​ ​micrometriche, ​ ​comprese ​ ​tra ​ ​1 ​ ​e ​ ​100 ​ ​μm ​ ​[3].  
Questa tecnologia ​si è imposta sullo scenario della microelettronica come una           
tecnologia dirompente in quanto ha portato la dimensione meccanica allo stesso livello            
di quella microelettronica. ​Le peculiarità sono le dimensioni compatibili con quelle della            
  
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microelettronica, i consumi di potenza elettrica ridottissimi e costi bassissimi di           
produzione. ​Per tale ragione i sensori sono stati la prima applicazione pratica della             
tecnologia MEMS, in quanto i sensori i più comuni sensori usati nelle applicazioni,             
soprattutto quelle di automazione erano di natura elettromeccanica, per esempio,          
sensori di pressione, di movimento (accelerometro), sensori acustici (microfoni), ecc.          
[3].  
Con il termine di sensoristica gassosa si comprende un vasto insieme di apparati             
elettrici capaci di determinare la presenza e la quantità di una determinata sostanza             
aeriforme ​ ​presente ​ ​nell’atmosfera.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.3 Schema delle componenti fondamentali di un sensore di gas, recettore e trasduttore.              
(R ​ ​= ​ ​resistenza, ​ ​E ​ ​= ​ ​forza ​ ​elettromotrice, ​ ​I ​ ​= ​ ​corrente, ​ ​V ​ th ​ ​ ​= ​ ​tensione ​ ​di ​ ​soglia, ​ ​Cp ​ ​= ​ ​capacità ​ ​[4]. 
 
Come illustrato nello schema in figura 1.3, i sensori di gas a stato solido sono               
costituiti da un recettore ed un trasduttore. ​Il primo ha la capacità di modificare una               
propria caratteristica chimico-fisica, come resistenza elettrica, diffrazione ottica,        
magnetismo, etc. al variare della pressione parziale di un determinato gas, mentre il             
secondo ​ ​traduce ​ ​questa ​ ​variazione ​ ​in ​ ​un ​ ​segnale ​ ​elettrico ​ ​[4]. 
I sensori studiati in questa tesi sono realizzati su un wafer da 12 pollici di silicio o                 
quarzo in cui, tramite una serie di passaggi di lavorazione si realizza il sensore vero e                
proprio. La lavorazione per il substrato è stata fatta in Clean Room di FBK, mentre le                
altre ​ ​lavorazioni ​ ​in ​ ​laboratori ​ ​chimici ​ ​appropriati.  
 
 
 
  
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