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LUCA SELMI
Professore Ordinario
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Dispositivi elettronici e iontronici
Bioingegneria per l'innovazione in medicina (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
I principali obiettivi formativi del corso sono:
- Impartire nozioni fondamentali sulle caratteristiche e le opportunità offerte dalle moderne tecnologie microelettroniche di realizzazione e packaging dei circuiti per applicazioni sensoristiche.
- Introdurre i modelli ohmico-diffusivo e reazione-diffusione per la descrizione degli elettroliti, degli analiti e dei meccanismi di trasduzione alle interfacce di sensori elettronici e iontronici.
- Far comprendere i principi di funzionamento e trasduzione e i vincoli di progettazione di sensori potenziometrici e impedenzimetrici basati su transistori MOS e condensatori integrati.
- Far comprendere i principi di funzionamento di membrane ioniche e pompe ioniche comandate elettronicamente.
- Insegnare tramite esempi selezionati a stimare sensibilità, selettività, rumore, range dinamico e risposta temporale di nanosensori elettronici e iontronici integrati.
- Far comprendere sensori potenziometrici (ISFET) ed impedenzimetrici (nanocapacitori): principi di funzionamento, realizzazioni in forma integrata, progettazione e applicazioni.
Prerequisiti
Per poter apprendere al meglio i contenuti del corso, è opportuno che gli studenti abbiano una buona dimestichezza con i seguenti concetti:
- Matematica: nozioni di base; derivate e integrali; equazioni differenziali lineari del primo ordine;
- Fisica: basi di elettrostatica, campo elettrico, carica e potenziali, densità di corrente, trasporto ohmico (legge di Ohm).
- Elettronica: Resistore, Condensatore, Diodi e transistori MOS, Circuiti elettronici elementari in regime stazionario e di piccolo segnale sinusoidale
- Chimica: nozioni fondamentali struttura atomica della materia, orbitali, valenza, reazioni chimiche elmentari, reazioni di ossidazione e riduzione.
Programma del corso
Il corso comprende circa 4.5 CFU di lezioni frontali dedicate allo sviluppo di nuove conoscenze e competenze; circa 1.5 CFU dedicate all’acquisizione di capacità di applicare le conoscenze acquisite a casi applicativi concreti. Per quest’ultima parte si farà ampio uso di strumenti di simulazione numerica.
- Tecnologie micro/nanoelettroniche e iontroniche per la sensoristica 0.5 CFU
- Modello deriva-diffusione-reazione 1 CFU
- Sensibilità, selettività, rumore, comportamento dinamico 1 CFU
- Sensori potenziometrici integrati 1 CFU
- Sensori impedenzimetrici integrati 1 CFU
- Dispositivi iontronici
- Applicazioni
Metodi didattici
Si consiglia caldamente agli studenti di frequentare le lezioni, che prevedono la spiegazione della teoria e lo svolgimento di esercizi e homeworks sull’analisi di semplici dispositivi sensori e attuatori basati su tenologie microelettroniche e iontroniche. Sono inoltre organizzate attività di simulazione di utilizzando MATLAB e il simulatore ENBIOS sviluppato dal docente e disponibile al sito www.nanohub.org.
Testi di riferimento
Materiale didattico disponibile sulle pagine web del corso
Maro Tartagni: Electronic sensor design principles, Cambridge University Press
Verifica dell'apprendimento
L’accertamento della preparazione viene effettuato tramite prova orale di durata approssimativa 45-60 minuti. La prova comprenderà un piccolo test basato sul simulatore ENBIOS o LTSPICE e un semplice esercizio di calcolo/progettazione di massima di un dispositivo elettronico o iontronico.
Risultati attesi
Al termine del corso lo studente avrà conoscenze riguardo:
- le nozioni fondamentali sulle moderne tecnologie microelettroniche di realizzazione e packaging dei circuiti per applicazioni sensoristiche.
- i modelli ohmico-diffusivo e reazione-diffusione per la descrizione degli elettroliti, degli analiti e dei meccanismi di trasduzione.
- i principi di funzionamento e trasduzione e i vincoli di progettazione di sensori potenziometrici e impedenzimetrici basati su transistori MOS e condensatori integrati.
- i principi di funzionamento di membrane ioniche e pompe ioniche comandate elettronicamente.
- La stima della sensibilità, selettività, rumore, range dinamico e risposta temporale di nanosensori elettronici e iontronici integrati.
- i sensori potenziometrici (ISFET) ed impedenzimetrici (nanocapacitori): principi di funzionamento, realizzazioni in forma integrata, progettazione e applicazioni.