Ingegneria dei Microsistemi

Università degli Studi di Roma Tor Vergata
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INGEGNERIA DEI MICROSISTEMI

DURATA: 3 anni

INDIRIZZI:

Progettazione e realizzazione di microsistemi elettrici meccanici e ottici.

SBOCCHI PROFESSIONALI:

Uno dei motivi del successo straordinario dei microsistemi è la loro caratteristica polifun-zionale. Essi possono infatti incorporare funzioni ottiche, elettriche, meccaniche, chimiche e biologiche per dare vita a microlaboratori ed a microapparecchiature di dimensioni infe-
riori al millimetro.I campi di impiego in particolare sono innumerevoli: industriale, robotica, sensoristica, agroalimentare, autoveicoli, ambiente, medicina ecc.

PRESENTAZIONE:

La realizzazione di sistemi di dimensioni estremamente ridotte che in tutto e per tutto offrono le prestazioni dei sistemi "macroscopici", consente non soltanto grandi vantaggi d'ingombro e spesso di costo, ma in alcuni casi il raggiungimento di prestazioni altrimenti impossibili da ottenere.
In questo contesto l'Ingegneria dei Microsistemi è definita come la combinazione coordinata a livello di sistema delle microtecnologie e delle relative tecniche di assemblaggio e interconnessione, nonchè delle specifiche architetture, ai fini di un processo fortemente innovativo che risulti altrettanto competitivo sul mercato. Fra le microtecnologie ricordiamo la microlitografia, l'ottica integrata, la micromeccanica, la crescita di film.
Attualmente si stanno sviluppando a livello di microsistema nuove famiglie di sensori: elettrici, meccanici, ottici, biochimici e nuovi microattuatori che utilizzano micromotori elettromagnetici e elettrostatici, idraulici e pneumatici. Tra l'altro l'utilizzazione di queste tecniche di microfabbricazione, consente all'interno del sistema l'integrazione di sensori, attuatori, ed elaboratori. Ciò permette di utilizzare tecniche e strumenti già sviluppati nell'ambito della tecnologia dei semiconduttori (produzione simultanea di massa, bassi costi di produzione) e di realizzare di dispositivi che, rispetto a quelli tradizionali, abbiano una più elevata affidabilità (ridotto numero di connessioni esterne fra componenti, capacità di self-testing), minori interferenze con l'ambiente di misura, risposte meccaniche e termiche più rapide e un limitato consumo di energia e materiali grazie alla forte riduzione di masse e volumi.

Il campo delle applicazioni è enorme, e comprende ad esempio:

  • i trasporti, inclusi la guida ed il controllo del traffico
  • la "domotica" e gli elettrodomestici intelligenti
  • l'elettronica di consumo
  • l'automazione industriale
  • l'impiantistica e la tecnologia di processo
  • la tecnologia aerospaziale
  • la microchirurgia
  • il controllo ambientale

    Si può ben affermare che l'impatto dei microsistemi sull'innovazione di prodotto e di processo sarà enorme e risulterà decisivo ai fini della competitività delle aziende sul mercato. La tecnologia dei microsistemi si prevede invaderà il mercato in molti modi. Nel breve termine si prevede che molte soluzioni convenzionali verranno rimpiazzate da microsistemi a causa dei molti vantaggi che essi offrono. Ad esempio un microsistema con funzione accelerometro per airbag di un'automobile non solo è molto più economico di un sensore di tipo convenzionale, ma consente maggiori prestazione ed affidabilità a causa dell'integrazione di dispositivi di auto-calibrazione ed auto-testing. D'altro lato potrebbero essere realizzati molti prodotti completamente nuovi e non immaginabili al momento.

    Figura 1 Proiezioni di mercato dei microsistemi

    Attualmente il mercato dei microsistemi conta un fatturato di circa quattro miliardi di euro con un incremento annuo di circa il 50% ed è sostanzialmente basato sulla produzione di microsensori "intelligenti". Si prevede che negli anni prossimi ci sarà un grande incremento del mercato dei microsistemi. In particolare il fatturato dovrebbe raggiungere i 16 miliardi di euro e che più del 50% delle vendite sarà imputabile agli attuatori (Batelle Institute).
    Un recente studio di mercato preparato nell'ambito della rete NEXUS (Network of Excellence in Multifunctional Microsystems) indica delle proiezioni ancora più ottimistiche.
    In Europa l'Ingegneria dei Microsistemi è assai coltivata a livello didattico e di ricerca. Presso numerose università tedesche, svizzere, inglesi, austriache, francesi, scandinave, del Benelux si procede all'insegnamento di discipline relative all'Ingegneria dei Microsistemi. Cominciano anche a diffondersi i corrispondenti corsi di laurea comunemente identificati col termine Meccatronica.
    In Italia esistono buone competenze a livello CAD elettronico, di materiali avanzati per i microsistemi e di microottica. Invece la situazione relativa alla tecnologia microelettronica risulta piuttosto insoddisfacente, mentre in una sola sede si svolge una significativa attività di micromeccanica. A livello sia didattico che di ricerca le attività riconducibili all'ingegneria dei microsistemi sono inoltre sparse e scoordinate.
    Nell'attesa che si possano prendere iniziative a livello di corsi di laurea o di diploma universitario, risulta necessario procedere alla formazione di un primo gruppo di esperti qualificati nel settore attraverso un dottorato di ricerca in Ingegneria dei Microsistemi, affidato ad un consorzio di Dipartimenti ove le competenze relative ai vari aspetti dell'Ingegneria dei Microsistemi sono particolarmente sviluppate. I settori che s'intende coprire attraverso corsi avanzati e specifica attività di ricerca vengono di seguito elencati.

    Materiali. La possibilità di realizzare microsistemi a misura delle esigenze maturate nella R&D o nella produzione è totalmente condizionata dalla disponibilità di materiali adeguati.
    Le caratteristiche elettriche e meccaniche del Silicio, al relativa facilità con cui può essere lavorato ed attualmente ottenuto a vari gradi di purezza e con varie caratteristiche strutturali (monocristallino, policristallino, amorfo), nonchè sotto forma di cristallo singolo o film, lo rendono indubbiamente il materiale principe dei microsistemi. Tuttavia in condizioni operative particolari, elevate tensioni meccaniche, alte temperature, presenza di elevate dosi di radiazioni, altissime frequenze, il silicio presenta chiari limiti e può essere convenientemente sostituito da materiali alternativi, quali il diamante sul quale si è concentrata l'attenzione della comunità scientifica internazionale. E' inoltre necessaria un'accessibilità selettiva alle pressochè infinite proprietà chimico fisiche possedute dalle varie leghe metalliche al variare di composizione e concentrazione. In casi particolari possono essere necessari isolanti magnetici o superconduttori. Tutti questi nuov!
    i materiali vengono da tempo studiati con notevoli risultati presso la Facoltà di Ingegneria di Roma "Tor Vergata", ove i dottorandi potranno acquisire una gamma particolarmente estesa di competenze scientifiche e tecnologiche.

    Diagnostica L'utilizzazione di materiali speciali e la realizzazione di microsistemi comporta l'esistenza di adeguate tecniche diagnostiche. Oltre a quelle standard abbondantemente presenti presso tutti i dipartimenti consorziati, i dottorandi potranno disporre a livello atomico di microscopi ad effetto tunnel ed a forza atomica in funzione presso il Dipartimento d'Ingegneria Elettrica dell'Aquila.

    Micromeccanica e Microottica Caratteristica fondamentale dell'Ingegneria dei Microsistemi è l'utilizzazione di tecnologie microelettroniche per lavorazioni meccaniche su scala micrometrica per la realizzazione di sensori ed attuatori. Infine la progettazione e la fabbricazione di componenti di microottica (da utilizzare nei sistemi foto-meccanici ed opto-elettronici di lettura ed elaborazione di dati, o di microlavorazioni meccaniche) richiedono una conoscenza approfondita delle tecnologie ottiche e delle proprietà ottiche dei materiali impiegati.

    CAD La progettazione di dispositivi e sistemi micrometrici comporta il controllo di un numero eccezionalmente elevato di parametri e deve essere necessariamente effettuata al calcolatore. A questo proposito è possibile utilizzare in buona misura le metodologie ed in numerosi casi il software messo a punto per la progettazione microelettronica .

    L'integrazione di sistema è una delle esigenze fondamentali nella competizione industriale. In particolare nel settore microelettronico essa è connessa sia a valutazioni di tipo economico, sia alla necessità di migliorare le prestazioni dei dispositivi risultanti. Ad esempio si può considerare il settore del processamento del segnale. I notevoli risultati ottenuti in questo settore non possono prescindere dallo sviluppo dell'integrazione microelettronica che ha consentito un notevole miglioramento delle prestazioni dei dispositivi necessari per il processamento.
    La maggiore complessità dei circuiti realizzabili implica però l'esigenza di utilizzare strumenti di progettazione di tipo sempre più sofisticato. L'importanza di questi strumenti è tale da incidere pesantemente sulle prestazioni dei sistemi realizzati. Infatti le caratteristiche proprie dei diversi strumenti CAD possono modificare sia il livello d'integrazione, che la velocità dei circuiti integrati risultanti. Si pensi, ad esempio, alla differenza di prestazione fra una tecnica standard-cell ed una tipo full-custom.
    Inoltre, lo sviluppo di circuiti che utilizzino efficientemente la tecnologia VLSI richiede un notevole sforzo di rinnovamento delle tecniche di progettazione classiche. Ciò è vero per i circuiti digitali ma vale anche per i circuiti di tipo analogico. Anche in questo caso l'interazione fra tecniche di progettazione (circuitali ed architettuali) e strumenti CAD è fondamentale per ottenere dei sistemi integrati ad elevate prestazioni.

    Simulazione I metodi Monte Carlo rappresentano un potente strumento pratico di soluzione di un problema di calcolo numerico. Essi pertanto hanno vasto campo di applicazione alla simulazione di sistemi di grande importanza nella progettazione ingegneristica. Essi si possono utilizzare non solo nel caso di processi naturalmente stocastici, ma anche nel caso di sistemi deterministici, attraverso appropriate tecniche di traduzione del problema in un corrispondente processo stocastico. E' evidente pertanto l'interesse di questi metodi nella progettazione di microsistemi.
    Segue un panorama dei CORSI attualmente frequentati:

    Fisica dello Stato Solido
    Solidi cristallini e amorfi. Metalli e semiconduttori. I materiali per la microelettronica. I materiali magnetici. I materiali superconduttori.

    Elettronica Quantistica
    Fondamenti e fisica dei laser. Applicazioni, con particolare riferimento alla lavorazione meccanica.

    Introduzione alla Microingegneria per applicazioni Biomediche

    Meccatronica
    Progettazione di sistemi meccatronici.

    Biomeccanica
    Fondamenti di bioingegneria meccanica.

    Etching Technology
    Microfabbricazione del silicio.

    Scuola Internazionale di Elettronica Quantistica
    Realizzazione di modelli e analisi degli elementi ottici diffrattivi. Progettazione di elementi microottici e di microstrutture. Materiali per olografia e ottica diffrattiva. Micromachining di superfici e di bulk. Tecnologia LIGA applicata alle microstrutture. Laser machining e deposizioni. Lenti, reticoli e matrici di microlenti. Sensori ottici ed attuatori. Optoelettronica di consumo (lettori CD, stampanti laser,.).

    Altri Corsi o Scuole frequentati dai dottorandi sono variabili di anno in anno.

    Da quanto sopra esposto si vede che l'ingegneria dei microsistemi è tipicamente interdisciplinare e rappresenta una componente fondamentale nel futuro della Ricerca, dello Sviluppo e della produzione industriale.

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