Sensore CMOS con risoluzione capacitiva di 65zF per la rivelazione del particolato ambientale

L’impatto negativo sulla salute umana dell’esposizione al particolato nell’aria (PM) è un argomento di grande attualità. Sebbene strumenti ottici e gravimetrici siano a disposizione per rilevare e analizzare le particelle sospese nell’aria, essi presentano delle grosse criticità in termini di costo, miniaturizzazione e portabilità. Al contrario, una migliore risoluzione spazio-temporale nel monitoraggio del particolato ambientale ottenuta attraverso una rete di sensori portatili consentirebbe miglioramenti significativi in termini di previsione e descrizione degli effetti tossici dell’inquinamento ambientale. La tecnologia microelettronica e la misura di impedenza ad alta sensibilità sono state utilizzate in questo lavoro di tesi per l’implementazione di un innovativo rivelatore monolitico CMOS che permette il conteggio di particelle di particolato aerodisperse con diametro fino a 1μm. Il sensore rileva attraverso una misura capacitiva la polvere depositata direttamente sopra elettrodi coplanari interdigitati fabbricati con lo strato metallico superiore del processo CMOS senza ulteriori passi tecnologici. Grazie all’utilizzo di simulazioni numeriche agli elementi finiti è stata ottimizzata la geometria dell’elettrodo ed è stata stimata una variazione capacitiva di 0.7aF per una particella con diametro 1μm e costante dielettrica pari a 2. Per raggiungere questa elevata risoluzione gli elettrodi e l’elettronica di lettura sono integrati sullo stesso chip CMOS riducendo così gli effetti parassiti dei collegamenti. Sono stati implementati sullo stesso chip 32 sensori operanti in parallelo, con un circuito di compensazione che riduce il disallineamento della capacità differenziale d’ingresso ed una rete di polarizzazione che riduce il rumore a bassa frequenza. L’area sensibile di 1.15mm^2 divisa in 32 canali minimizza la capacità parassita all’ingresso del front-end, direttamente correlata alla risoluzione capacitiva, e l’uso di un’onda quadra rail-to-rail, generata con un oscillatore interno, massimizza l’ampiezza del segnale capacitivo. I filtri passa basso integrati in ciascun canale evitano il tempo di assestamento durante una scansione veloce dei 32 sensori attraverso l’unica uscita analogica del chip ed impostano la banda del segnale tra 40Hz e 750Hz. Il circuito progettato e realizzato ha una risoluzione migliore di 100zFrms consentendo così di rivelare e contare le particelle di diametro maggiore di 1μm che si depositano sulla superficie attiva.