ECTS - University of Pisa
Gli studenti acquisiranno conoscenze di teoria, modelli e progettazione di sensori e microsistemi (sistemi microelettromeccanici - MEMS). Verranno discussi modelli analitici e numerici (agli elementi finiti) di casi di studio, compresi microsensori inerziali, acustici e chimici. Sarà considerata l'elettronica integrata per il condizionamento del segnale.
Students are expected to acquire knowledge about theory, models and design of sensors and microsystems , (microelectromechanical systems - MEMS). Analytical and numerical (finite elements) models of study cases will be discussed including inertial, acoustic, chemical microsensors . Integrated electronics for signal conditioning will be considered.
La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione finale composta da una prova scritta e da una prova orale. Nella prova scritta lo studente dovrà dimostrare di saper analizzare il comportamento di sensori e microsistemi. Nel corso della prova orale lo studente dovrà dimostrare la capacità di discutere gli argomenti del corso utilizzando un terminologia corretta.
Through a final test that includes a written exam and an oral exam. In the written exam, the student must demonstrate his/her knowledge of analysing sensors and microsystems. During the oral exam the student must be able to demonstrate his/her ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.
Al termine del corso:
By the end of the course:
La verifica avverrà nel corso delle prove di esame e nella discussione del report scritto riguardante il progetto.
The student's ability will be assessed through the final test and the homemade written report on a design topic based on the finite element CAD.
Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche relative alla progettazione di sistemi microelettromeccanici e quindi svilupperà competenze tipicamente interdisciplinari comprendenti aspetti elettronici, meccanici, fisici e chimici.
The student will develop his/her awareness of issues regarding the design of micro-electro-mechanical systems and he/she will develop interdiciplinary skills including electronic, mechanical, physical and chemical fields.
La sensibilità nell’analisi delle problematiche relative alla progettazone di sensori e microsistemi verrà verificata durante le sessioni di laboratorio e tramite opportune domande nel corso dell’esame finale.
The developed ability to design sensors and microsystems will be assessed during the lab sessions and through specific questions in the final exam.
Conoscenze di matematica, chimica e fisica di base. Conoscenze di tecnologie microelettroniche, elettronica e microelettronica.
Knowledge of basic mathematics, chemistry and physics.
Knowledge of microelectronic technologies, electronics and microelectronics.
Non sono previsi co-requisiti
None
Il coso viene tenuto in italiano utilizzando slides che sono messe a disposizione dello studente tramite il sito e-learning. Le slides sono commentate e integrate con calcoli e precisazioni scritte a mano. Gli studenti possono usufruire del ricevimento e della mail del docente per chiarimenti tematici e organizzativi.
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Advised
Teaching methods:
1 Premessa matematica essenziale
1.1 Prodotti tra vettori
1.1.1 Prodotto scalare
1.1.2 Prodotto vettoriale
1.2 Proprieta di trasformazione di vettori
1.3 Tensori del secondo ordine
1.3.1 Prodotto diadico
1.3.2 Prodotto scalare tra tensori del secondo ordine
2 Statica e dinamica di sistemi elastici
2.1 Il continuo
2.2 Corpi elastici deformabili
2.2.1 Spostamento
2.2.2 Spostamento differenziale
2.2.3 Gradiente di spostamento
2.3 Deformazioni
2.3.1 Osservazione sulla deformazione
2.3.2 Semplificazioni
2.3.3 Ancora sulla relazione tra S ed e
2.4 Notazione Simbolica
2.5 Notazione ridotta (S)
2.5.1 Operatore ∇s in forma matriciale
2.6 Forze e tensore di stress
2.6.1 Equazione della dinamica I
2.6.2 Tensore di stress
2.6.3 Interpretazione geometrica del vettore e del tensore di stress
2.6.4 Casi speciali di stress
2.6.5 Tensore di stress di Maxwell
2.6.6 Equazione della dinamica II
2.7 Notazione ridotta (T )
Tensore di stress di Maxwell in notazione ridotta
2.8 Legge di Hooke
Notazione simbolica
2.8.1 Materiale isotropo
2.8.2 Legge di Hooke in presenza di dilatazioni termiche
2.9 Energia di deformazione
2.10 Modelli termodinamici di sensori e microsistemi
2.10.1 Termodinamica dei solidi
2.10.2 Espressioni per dW
Solido deformabile di volume unitario e costante, sottoposto a campo elettromagnetico
Sistema aperto rigido
Sistema elettromeccanico (attuazione elettrica)
Sistema elettromeccanico (attuazione magnetica)
3 Elettromeccanica a parametri concentrati
3.1 Parametri concentrati
3.2 Variabili coniugate in potenza
3.3 Elementi circuitali generalizzati I - reti elettriche
3.3.1 Induttanza generalizzata
3.3.2 Capacita generalizzata
3.4 Elementi circuitali generalizzati II - sistema meccanico
3.4.1 La molla ideale
3.4.2 La massa ideale
3.4.3 Smorzatore ideale
3.5 Circuito equivalente di un sistema meccanico
3.6 Dinamica di un sistema del secondo ordine
3.7 Circuito equivalente di un sistema elettromeccanico
Rete equivalente
3.7.1 Appendice: Circuiti equivalenti per piccolo segnale
La matrice di trasmissione
Esempio: trasformatore ideale
4 L’attuatore elettrostatico
4.1 Attuatore a piatti piani
4.1.1 Alimentazione in carica
4.1.2 Alimentazione in tensione
4.2 Comb finger
4.2.1 Alimentazione in tensione
4.3 Linearizzazione della risposta
5 Strutture
5.1 Ipotesi di De Saint Venant e caratteristiche della sollecitazione
5.2 Travi piane ad asse curvilineo
5.3 Caratteristiche di sollecitazione e stato di tensione
5.3.1 Flessione di barre
5.3.2 Sollecitazioni torsionali
5.4 Combinazioni di strutture elastiche
5.5 Attuatore termo-elastico
5.6 Membrane e Piatti
5.7 Dinamica delle strutture
Vibrazioni libere di una barra con due configurazioni di vincoli
Trasformazioni di quantita espresse in forma ridotta
6 Microsistemi Piezoresistivi
6.1 Piezoresistivita
6.1.1 Piezoresistivita nei materiali cristallini
6.1.2 Trasformazione del sistema di riferimento
6.2 Estensimetri
Espressione approssimata
7 Microsistemi inerziali
7.1 Accelerometri
7.1.1 Accelerometro quasi statico a loop aperto
7.1.2 Accelerometri a loop chiuso
Accelerometro con uscita e retroazione PWM
Funzioni complementari nella catena di azione
7.2 Giroscopi
7.2.1 Giroscopi microelettromeccanici vibranti
Effetti dello spreading in frequenza
7.2.2 Valutazione dell’influenza della accelerazione angolare
8 Acustica Fisica
8.1 Equazioni del campo acustico
8.2 Equazione di Christoffel
8.3 Onde Piane
9 Piezoelettricità
9.1 Equazioni costitutive
9.1.1 Equazione costitutiva di un materiale dielettrico
9.1.2 Equazioni costitutive piezoelettriche
9.1.3 Sistemi di equazioni costitutive piezoelettriche
9.2 Equazione di Christoffel in materiali piezoelettrici
10 Il trasduttore piezoelettrico
10.1 Trasduttore piezoelettrico sottile
10.1.1 Valutazione dei termini di accoppiamento piezoelettrico
10.1.2 Andamento delle variabili indipendenti
Soluzione per la corrente
Soluzione generale per la velocita
10.1.3 Andamento delle variabili dipendenti
Calcolo della tensione alla porta elettrica
Calcolo delle forze sulle facce del trasduttore
10.2 Circuito equivalente di Mason
10.2.1 Il trasduttore piezoelettrico trasmettitore e il filtro piezoelettrico
Caso di backing rigido
10.2.2 Risonatore libero
Filtri piezoelettrici
10.3 La rete elettrica equivalente
10.3.1 Trasmettitore
10.3.2 Ricevitore
10.3.3 La funzione di trasferimento completa
11 Sensori di temperatura e microsistemi termici
11.1 Sensori resistivi di temperatura
11.1.1 Sensori a conduttore metallico
11.1.2 Termistori
11.1.3 Circuiti utilizzanti sensori resistivi
Problema dell’autoriscaldamento in sensori resistivi
11.2 Sensori di temperatura a giunzione p-n
11.3 Effetti termoelettrici
11.3.1 Effetto Peltier
11.3.2 Effetto Seebeck
11.3.3 Effetto Thomson
11.4 Modello microscopico degli effetti termoelettrici
11.5 Termocoppie
Coefficiente di Seebek di una termocoppia
Leggi delle termocoppie
11.5.1 Utilizzo delle termocoppie per la misura della temperatura
11.6 Verso il microsistema termico
Statics and dynamics of elastic systems. Thermodynamic models of sensors and microsystems. Lumped elements electromechanics. The electrostatic actuator: plane capacitor and comb finger. Elastic structures. Piezoresistive microsystems, strain gauges. Inertial microsystems: accelerometers and gyroscopes. Physical acoustics. Piezoelectrical microsystems: pizo-transducers and filters. Chemical microsensors: gas sensors and ions sensors.
Manuale "Microsistemi", Pisa University Press, 2017.
Lecture notes, slides e materiali diversi distribuiti tramite il sito del corso (servizio e-learning https://elearn.ing.unipi.it/).
Manual: "Microsistemi" Pisa University Press, 2017
Lecture notes, handouts and materials distributed through the course web page (e-learning service of the Engineering faculty: https://elearn.ing.unipi.it/).
Nessuna variazione per la prova scritta e orale. I non frequentanti non potranno svolgere il progetto che prevede l'utillizzo del software Consol Multiphysics disponibile nelle aulee informatiche del centro di calcolo e utilizzato nelle esercitazioni.
Non-attending students cannot present the homemade written report on a design topic based on the finite element CAD.
A seguito dell'emergenza epidemiologica, la prova scritta non verrà svolta mentre la prova orale si svolgerà con le seguenti modalità:
L'esame è composto da una prova scritta e da una prova orale.
La prova scritta consiste nella risoluzione di due esercizi e la durata è di un'ora.
La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente, o anche tra il candidato e altri membri della commissione. La durata media del colloquio è di circa 40 minuti. La prova orale è superata se il candidato risponde correttamente alle domande mostrando la capacità di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta. La prova orale non è superata se il candidato non risponde correttamente alle domande mostrando ripetutamente l'incapacità di mettere in relazione parti del programma e nozioni che deve usare in modo congiunto per rispondere in modo corretto ad una domanda.
Per gli studenti che hanno scelto di fare il progetto finale, la prova orale inizierà con la discussione del progetto.
The exam is made up of one written test and one oral test.
The written test consists of the solution of two exercises in 1 hours.
The oral test consists of an interview between the candidate and the lecturer, or between the candidate and the lecturer’s collaborators. The average length of the interview is about 40 minutes. The oral test will be passed if the candidate answers the question correctly showing ability to express him/herself in a clear manner using the correct terminology. It is not possible to pass the test if the candidate does not answer the questions showing repeatedly an incapacity to relate and link parts of the programme with notions and ideas that they must combine in order to correctly respond to a question.
Students can choose whether or not to present a homemade written report on a design topic based on the finite element CAD. If they present the report, the oral exam will start with the discussion about the designed device.
Non sono previste forme di stage, tirocini o collaborazioni con terzi durante lo svolgimento del corso.
None
nessuna
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Nesuna
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