L’attività di ricerca svolta al Politecnico di Milano sui microsensori e microsistemi intelligenti copre un vasto campo di aspetti che vanno dallo studio dei principi fisici di funzionamento di questi dispositivi allo studio delle proprietà dei materiali di cui sono costituiti, dalla progettazione del dispositivo stesso a quella dell’elettronica cui è connesso, dalla sperimentazione in laboratorio allo sviluppo delle applicazioni relative. Le tematiche attualmente al centro dell’interesse del gruppo di ricerca sono: sensori inerziali multi-asse e multi-parametro M/NEMS (Micro/Nano Electro Mechanical Systems), altre tipologie di trasduttori MEMS con applicazioni in svariati campi (oscillatori per real-time clocks, microspecchi per sistemi micro-opto-elettromeccanici), sensori di immagine CMOS con risposta spettrale accordabile nello spettro visibile, controllo di circuiti fotonici integrati, e sviluppo di strumenti integrati innovativi per micro-nanosensori.
Risultati principali della ricerca
- Sviluppo di innovativi sensori inerziali MEMS a modulazione di frequenza e dell’elettronica di lettura e condizionamento dei segnali
Nell’ambito di diversi progetti scientifici e di ripetute collaborazioni industriali con STMicroelectronics sono state studiate proprietà fondamentali dei materiali alla micro-scala utilizzati nei MEMS, ad esempio effetti della fatica, fenomeni di adesione superficiale ed effetti nonlineari. I risultati sono stati utilizzati per la progettazione di innovativi sensori MEMS a modulazione di frequenza, tipicamente soggetti ad un grandissimo numero di sollecitazioni cicliche durante la loro vita. - Sviluppo di sensori di immagine CMOS con risposta spettrale accordabile elettricamente
E’ stato inventato, progettato e successivamente sperimentato dai ricercatori del gruppo un nuovo sensore di immagine CMOS con risposta spettrale del singolo pixel elettricamente riconfigurabile. Nel corso della ricerca sono stati analizzati e risolti problemi a livello di dispositivo, è stata sperimentalmente dimostrata l’operatività del sensore e sono state proposte nuove funzionalità, quali l’adattamento del sensore alla scena, l’acquisizione di immagini multi-spettrali e la possibilità di acquisizione simultanea dell’immagine nel visibile e nel vicino infrarosso. - Sviluppo di avanzati giroscopi basati su elementi funzionali nano-strutturati integrati in dispositivi micro-strutturati (N/MEMS)
Nell’ambito di un progetto internazionale EU (NIRVANA) il gruppo di ricerca ha avuto il compito di progettare avanzati giroscopi miniaturizzati nei quali la lettura della Forza di Coriolis è basata su proprietà piezo-resistive di elementi funzionali nano-strutturati. I primi prototipi di questi sensori sono stati prodotti (presso il CEA-LETI di Grenoble) e sono stati caratterizzati dal gruppo di ricerca con risultati molto soddisfacenti. - Sviluppo di circuiti integrati mixed-signal per trasduttori MEMS
Il progetto di sensori MEMS/NEMS è strettamente legato al progetto della relativa elettronica di pilotaggio e lettura. Il gruppo di ricerca copre entrambe le attività. Sono stati sviluppati diversi circuiti integrati per i MEMS sopra menzionati, e strumentazione di misura per la loro caratterizzazione. In particolare, una versatile piattaforma per la caratterizzazione completa di MEMS/NEMS ha dimostrato di essere di rilevante interesse industriale.
In svariati campi applicativi della vita attuale e futura rivestiranno inoltre un ruolo sempre maggiori trasduttori MEMS in grado di misurare il tempo (real-time clocks) con elevata accuratezza e consumo di potenza trascurabile. Su tale argomento verte un filone di ricerca in collaborazione con l’industria e dedicato allo sviluppo di elettronica mixed-signal di attuazione di risonatori MEMS tramite oscillatori low-power e compensazione dei loro drift in temperatura.
Un altro argomento di ricerca sviluppato dal gruppo mira alla realizzazione di circuiti integrati mixed-signal per microspecchi MEMS, per applicazioni in campo automotive (LIDAR) e consumer (pico-proiettori, realtà aumentata). - Sensori ed elettronica di controllo per circuiti fotonici integrati complessi La fotonica può essere realizzata con la stessa tecnologia della microelettronica ottenendo circuiti ottici integrati in grado di elaborare l’informazione ad elevatissima velocità. Per operare tali sistemi è necessario un continuo controllo del punto di lavoro dei singoli elementi ottici. A questo scopo è stato inventato un sensore “trasparente” di luce che permette di conoscere la quantità di luce in ogni punto di un circuito fotonico integrato complesso senza perturbarlo. Grazie a questa informazione, un’elettronica di controllo appositamente progettata e anch’essa integrata su un chip di silicio, stabilizza o modifica il comportamento complessivo del sistema per raggiungere la funzionalità desiderata. L’attività è attualmente sostenuta dal progetto europeo H2020-ICT-STREAMS.
- Strumentazione integrata per le nano-biotecnologie L’elettronica può giocare un ruolo chiave nel mondo della ricerca in nanobiotecnologia e nella diagnostica. In questo ambito il gruppo di ricerca ha maturato una forte competenza nel co-design di biosensori e di microchip in grado di rilevare anche piccolissimi segnali elettrici forniti dal mondo biologico. Nel progetto europeo TRAINING4CRM, ad esempio, si affronta in maniera innovativa malattie neurogenerative (Parkinson, Alzheimer e Huntington) mediante tecniche optogenetiche in cui cellule neuronali, geneticamente modificate per essere sensibili ad impulsi di luce, sono impiantate nel paziente per rimpiazzare cellule inattive. Il compito del Politecnico di Milano è lo sviluppo di un sistema miniaturizzato per stimolare otticamente e rilevare elettricamente in-situ (prospetticamente direttamente nel cervello umano) l’effettivo rilascio dei neurotrasmettitori da parte delle cellule neuronali impiantate.