Particulate matter detector based on impedance sensing

Impedance measurement is successfully employed in various fields to sense single particle events, e.g. for cells counting. This kind of detection works together with a fluidodynamic system, which properly drives the particles to be sensed. Airborne Particulate Matter, which is the collection of micro and nano particles suspended in the outside air, has been related to several human diseases (cardiovascular diseases, lungs cancer) ; its concentration must be constantly monitored, to effectively implement pollution contrasting policies. A novel PM detector, based on impedance measurement, is proposed in this thesis work. The project conjugates the design of an electronic impedance detection system, which was carried out in the electronics laboratory led by Prof. Marco Sampietro at DEIB, Politecnico di Milano, and the design of a micro-fluidodynamic system, which was carried out by the colleagues of LaBS, Politecnico di Milano; they also managed the electrodes manufacturing process, which took place at the École Polytechnique Fédérale de Lausanne. My tasks were the design of a proper sensor and of the analog front-end; their electronic characterization; their use along with a commercial lock-in instrument to actually perform PM detection. After an introduction on particulate matter, its consequences on health, and the standard measurements techniques, the system architecture is outlined in Chapter 1. Chapter 2 deals with the sensor design stages, from Finite Elements simulations, during which different geometries were studied, to the final wafer layout. Chapter 3 describes the design a low-noise front-end stage, with two possible improved variants. Chapter 4 faces the characterization of the capacitive sensors and of the front-end circuit, particularly for the noise performances. They were finally tested along with the external lock-in. For the first time the detection of PM10 by impedance sensing was demonstrated (in static and dynamic conditions), as shown in Chapter 5.

Le misure di impedenza vengono impiegate con successo in vari ambiti per rilevare eventi associati a singole particelle, ad esempio per il conteggio di cellule. Questo tipo di misura viene realizzato assieme a un sistema fluidodinamico, il quale veicola opportunamente le particelle in questione. Il particolato atmosferico, ovvero l’insieme delle micro e nano particelle sospese nell’atmosfera, è stato posto in relazione a numerose patologie (malattie cardiovascolari, tumore polmonare); la concentrazione di particolato deve essere costantemente monitorata, per attuare efficacemente politiche di contrasto dell’inquinamento. Un nuovo tipo di rilevatore di particolato, basato su misure di impedenza, viene presentato in questa attività di tesi. Il presente lavoro coniuga il progetto di un sistema elettronico di rilevamento, realizzato all’interno del laboratorio di elettronica diretto dal Prof. Marco Sampietro presso il DEIB del Politecnico di Milano, e il progetto di un sistema micro-fluidodinamico, realizzato dalle colleghe e dai colleghi del LaBS del Politecnico di Milano; hanno curato anche il processo produttivo degli elettrodi, effettuato presso la École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Mi sono occupato del progetto di un sensore adatto allo scopo, e del front-end analogico; della loro caratterizzazione elettronica; di effettuare realmente misure di particolato affiancando un demodulatore lock-in commerciale. Nel Capitoli 1, dopo un’introduzione sul particolato atmosferico, sulle sue conseguenze sulla salute umana, e sulle attuali tecniche standard di rilevamento, viene delineata un’architettura generale per il sistema. Il Capitolo 2 riguarda le fasi di progetto del sensore, dalle simulazioni a elementi finiti, durante le quali sono state considerate diverse geometrie, al layout finale del wafer. Il Capitolo 3 descrive il progetto di un front-end a basso rumore, e di due possibili varianti a prestazioni più elevate. Il Capitolo 4 affronta la caratterizzazione dei sensori capacitivi e del circuito di acquisizione, in particolare per quanto riguarda le prestazioni di rumore. Negli ultimi paragrafi vengono testati con il lock-in commerciale. Per la prima volta si è dimostrato il rilevamento di PM10 tramite misure di impedenza (in condizioni statiche e dinamiche), come mostrato nel Capitolo 5.