2° Presentazione del Workshop Finale del Progetto IPA/BC-Monitor Il progetto IPA/BC-Monitor ha sviluppato un sistema innovativo, compatto e standalone, per la misura online di due componenti chiave del particolato atmosferico, IPA e BC. Sito web del progetto: www.ipabcmonitor.it

1. Micro-componentistica per l'analisi e il
monitoraggio di inquinanti atmosferici
Enrico Cozzani 27/06/2018

2. IPABC 2
Overview
Definizione di MEMS
Tecnologia microelettronica
Competenze di CNR-IMM e PROAMBIENTE
Esempi di sistemi gas-cromatografici MEMS-based
Esempi di micro-componenti e micro-sistemi per analisi
ambientale sviluppati da CNR-IMM e PROAMBIENTE
I MEMS nel progetto IPA-BC Monitor

3. IPABC 3
Definizione
MEMS (Micro Electro Mechanical System): dispositivi di varia
natura (meccanici, elettrici ed elettronici) integrati in forma
altamente miniaturizzata su uno stesso substrato di materiale
semiconduttore (es. silicio).
Sono sistemi "intelligenti" che abbinano differenti funzioni
(elettroniche, ottiche, biologiche, chimiche, meccaniche….) e
realizzati in un volume ridottissimo.

4. IPABC 4
Obiettivo: realizzare il numero di dispositivi più elevato
possibile su un unico wafer di silicio (fetta circolare di diametro
variabile e spessore tipicamente di 0.5mm).
Tecnologia microelettronica
Il wafer può essere lavorato sulle due
facce, tipicamente con due modalità:
1) Scavi (rimozione chimica del silicio).
2) Deposizioni (di materiali metallici o
ossidi).

5. IPABC 5
Tecnologia microelettronica
Insieme di regole e procedure che definiscono il flusso di
realizzazione (PROGETTAZIONE E FABBRICAZIONE):
1) Progettazione:
 Disegno CAD del layout dei dispositivi.
 Simulazione multi-fisica (2D o 3D) del dispositivo.
 Realizzazione delle maschere litografiche per il trasferimento
del layout geometrico dei dispositivi sulla fetta di silicio.

6. IPABC 6
2) Fabbricazione:
Tecnologia microelettronica
 Processo fotolitografico: impiego di maschere (lastre di cromo
e quarzo) che, sfruttando una radiazione UV incidente ed un
materiale foto-sensibile, permettono di trasferire le geometrie
disegnate al CAD sulla fetta di silicio.
 Taglio dei dispositivi: per separare i diversi chip, viene
effettuata una serie di tagli (longitudinali e trasversali) sul wafer
tramite apposita lama di precisione.
 Test dei singoli dispositivi.

7. IPABC 7
Tutti i passi del processo fotolitografico di fabbricazione
avvengono all’interno di una «CLEAN ROOM», un ambiente
caratterizzato dalla presenza di aria a bassissimo contenuto di
microparticelle di polvere.
Tecnologia microelettronica
Es. CLEAN ROOM di CLASSE 100: in 1m3 si contano meno di
100 particelle con diametro > 0.5µm.

8. IPABC 8
Competenze di CNR-IMM
e PROAMBIENTE
Clean Room di 250m2
in CLASSE 100 per la
lavorazione di wafer di
silicio di diametro
pari a 10cm (4")
Sistemi di caratterizzazione dispositivi (elettrica, termica e funzionale)
Progettazione
CAD e
simulazione
dei
dispositivi

9. IPABC 9
CNR-IMM e PROAMBIENTE
Da circa 20 anni CNR-IMM (+ PROAMBIENTE dal 2013) sta
portando avanti una attività di ricerca volta alla
miniaturizzazione di strumenti per applicazioni nel campo
della chimica analitica (in particolare, sviluppo di MEMS per
realizzare sistemi di monitoraggio della qualità dell’aria).
Questi sistemi si basano sulla tecnica analitica della GAS-
CROMATOGRAFIA, che consente di rilevare separatamente i
singoli composti che costituiscono una miscela complessa (es.
ARIA AMBIENTE).

10. IPABC 10
GAS-CROMATOGRAFIA
Colonna di separazione
Gas-cromatografica
Rivelatore
Time
CROMATOGRAMMA
Pompa di
campionamento
carriergas
loop
iniettore
ingresso
campione
Se la concentrazione dell’analita da misurare è bassa, a monte della
colonna di separazione viene inserito un elemento pre-
concentratore, caratterizzato da un volume ridotto, al cui interno il
campione viene raccolto e successivamente rilasciato termicamente
verso la colonna di separazione.

11. IPABC 11
GAS-CROMATOGRAFI
2) Gas-cromatografo trasportabile (analisi ON-LINE)1) Gas-cromatografo da banco (analisi OFF-LINE)
Possibilità di realizzare
iniettore, colonna e
detector con tecnologie
MEMS

12. IPABC 12
SISTEMI GAS-CROMATOGRAFICI
MEMS-BASED: ESEMPI
2016
2006
Pittcon 2013
2009

13. IPABC 13
SISTEMI GAS-CROMATOGRAFICI
MEMS-BASED: ESEMPI
FUSION microGC
(INFICON)
Iniettore MEMS
Rivelatore MEMS
FROG-4000
(DEFIANT)
Pre-concentratore MEMS
Colonna GC MEMS
I-GRAPH-XS
(I-GRAPH-X)
Iniettore MEMS
Colonna GC MEMS
Rivelatore MEMS

14. IPABC 14
PyxisGC per analisi di BTEX
SPECIFICHE TECNICHE
SOSTANZE RILEVATE
BTEX (Benzene, Toluene, Etilbenzene,
Xilene)
TEMPI DI ANALISI 15 – 60min, configurabile dall’utente
DETECTOR PID (lampada 10.6eV)
COLONNA GC MEMS impaccata, lunghezza = 55cm
TEMP. COLONNA Fino a 180°C
PRE-CONCENTRATORE MEMS
GAS DI TRASPORTO Aria ambiente filtrata, < 20mL/min
LIMITE DI RILEVABILITA’ 0.25ppb Benzene, ciclo misura 15 min
FLUSSO DI
CAMPIONAMENTO
100 – 250 mL/min
DIMENSIONI E PESO 12 x 11 x 6.5 cm3, 1.9 kg
CONSUMO DI POTENZA 12V, 10W (picco 24W)
TEMP. DI LAVORO 10 – 30°C

15. IPABC 15
1) Pre-concentratore
Chip in silicio-vetro,
dimensioni 25x14x0.8 mm3
12 chip in un wafer di
diametro 10cm
CNR-IMM E PROAMBIENTE:
COMPONENTI MEMS PER GC

16. IPABC 16
2) Colonna di separazione (impaccata)
Chip in silicio-vetro,
dimensioni 25x25x0.8 mm3,
lunghezza colonna 55cm
7 chip in un wafer di
diametro 10cm

17. IPABC 17
MEMS PER FAST GC
1) Iniettore
Chip in silicio, dimensioni
12x12x2 mm3
32 chip in un wafer di
diametro 10cm

18. IPABC 18
MEMS PER FAST GC
12 chip in un wafer di
diametro 10cm
2) Colonna di separazione (capillare)
Chip in silicio,
dimensioni 20x20x0.8 mm3,
colonna di sezione circolare (φ = 75µm)
e lunghezza 3.5m

19. IPABC 19
MEMS PER FAST GC
3) Rivelatore di conducibilità termica
Chip in silicio-vetro,
dimensioni 5x5x0.8 mm3
220 chip in un wafer di
diametro 10cm

20. IPABC 20
MEMS & IPA-BC MONITOR
Il prototipo dello strumento per l’analisi on-line di Idrocarburi
Policiclici Aromatici (IPA) e di Black Carbon (BC) è parzialmente
costituito da componenti MEMS (in particolare, la parte relativa
alla misura di IPA basata su tecnica GC).
Campionatore
di PM su filtro
Desorbitore
termico
Sistema di
iniezione
Cartuccia di
pre-
concentrazione
(MEMS)
Colonna di
separazione GC
(MEMS)
Detector
+

21. IPABC 21
MEMS & IPA-BC MONITOR
Colonna di separazione (capillare)
Chip in silicio,
dimensioni 20x20x0.8 mm3,
colonna di sezione quadrata (80x80µm2)
e lunghezza 5m
12 chip in un wafer di
diametro 10cm

22. GRAZIE A TUTTI PER L’ATTENZIONE
e.cozzani@consorzioproambiente.it