INTRODUZIONE
IV
INTRODUZIONE
I sensori integrati di portata ricoprono un ruolo molto importante nel controllo dei processi industriali (chimici, microelettronici, ecc.), in campo aerospaziale, nell’industria automobilistica (automotive). Negli ultimi anni, inoltre, sta crescendo l’interesse del settore biomedico verso misuratori di piccoli flussi, utili in applicazioni quali il rilascio di farmaci o esami di laboratorio come ad esempio la cromatografia e l’analisi del DNA.
La vastità e la varietà delle applicazioni ha indotto a compiere numerosi sforzi nella progettazione e nella caratterizzazione di questo tipo di sensori al fine di migliorarne la performance. L’adozione di processi standard microelettronici e lo sviluppo delle tecnologie di micromachining ha permesso la miniaturizzazione del sensore portando a numerosi vantaggi, come ad esempio la diminuzione di potenza consumata, un’estrema leggerezza, minimo ingombro, buona affidabilità e la riduzione dei costi dovuta alla possibilità di una produzione di massa. La compatibilità tecnologica dei processi utilizzati consente di integrare, sullo stesso chip, sia il sensore, che i circuiti elettronici per il condizionamento del segnale da esso generato; in questo caso possiamo parlare di MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Il sensore sfrutta un principio fisico per rilevare e misurare una grandezza; nel caso delle misure di flusso possono essere utilizzati molti principi, ma non tutti consentono l’integrazione del sensore. Particolarmente interessanti sono i sensori termici di flusso, che possono essere integrati e risultano strutturalmente semplici, affidabili, con una buona sensibilità e, non avendo parti mobili, relativamente robusti.
INTRODUZIONE
V
Nel processo di fabbricazione del sensore, riveste un ruolo sempre più importante il package. Esso, infatti, ha il delicato compito di garantire l’interazione del dispositivo con l’ambiente esterno, salvaguardando nel tempo l’efficienza e l’affidabilità delle strutture presenti sul chip.
Questo lavoro di tesi descrive il progetto e la realizzazione di flussimetri integrati per liquidi, a partire da un chip realizzato dalla nostra università in collaborazione con la ST Microelectronics. Lo scopo è quello di proporre una nuova tipologia di sensore, basata su una innovativa metodologia di packaging, che sia in grado di soddisfare tutte le esigenze delle varie applicazioni. La caratterizzazione di un sensore termico di portata per liquidi non è stata mai investigata in modo esaustivo in letteratura; il presente lavoro di tesi, dunque, si propone di fornire un quadro il più possibile completo delle proprietà e delle prestazioni del sensore oggetto di studio.
In particolare, nel primo capitolo verrà fornita una panoramica dei diversi tipi di misuratori di portata, classificati in base al principio fisico che implementano per la rilevazione, con particolare attenzione, per quanto riguarda i flussimetri integrati, a quelli attualmente presenti sul mercato.
Nel secondo capitolo verranno descritte le principali tecniche di micromachining e saranno presentate alcune tipologie di sensori di flusso per liquidi presenti in letteratura, per capire quali sono i fattori chiave che influenzano maggiormente l’uscita di tali sensori. Successivamente verrà brevemente descritto il processo tecnologico BCD6 (in cui è realizzato il chip che costituisce il sensore studiato in questa tesi) e il funzionamento del flussimetro.
Nel terzo capitolo saranno esaminati dettagliatamente i passi di progetto che hanno portato alla realizzazione finale del dispositvo. In particolare verrà discusso il metodo di lavoro seguito nella costruzione del package, del quale sono state proposte alcune varianti. Infine si illustrerà la procedura di assemblaggio.
Nel quarto capitolo, infine, riporteremo gli studi di caratterizzazione del sensore di flusso al fine di ottenere una sua descrizione completa in condizioni di normale funzionamento. I dati sperimentali verranno poi confrontati con risultati simulativi ottenuti implementando un modello bidimensionale e uno tridimensionale su un simulatore a elementi finiti commerciale.