Misure di particolato ambientale tramite sensoristica integrata

Air quality control is of great social and scientific relevance. Recent studies have demonstrated that the quantity and composition of the dust suspended in the air influence heavily the quality of life. A more precise and pervasive monitoring is necessary in order to make appropriate policies to limit the risks for health. Traditional instrumentation shows problems in terms of cost, miniaturization and transport. An instrument based on impedance sensing, that is already used to count single particles in liquid, can be a valid alternative. Its sensibility and integrability could enable the realization of very compact and cheap instruments, integrable in the near future in most modern smartphones. A first prototype of PM detector based on impedance sensing had been developed in the laboratory by prof. Marco Sampietro at DEIB Politecnico di Milano. The limits that this instrument shows in terms of minimum detectable size (8 µm) can be improved with an instrument in which sensors and electronics are integrated in the same chip. In my thesis project I studied, using finite element simulations, the possibility to use a chip already available as particulate matter detector and how to optimize the measurement. I designed and realized a PCB containing electronics to control and read the chip. I characterized the electronics with particular attention to noise, evaluating the effective resolution of the system. I made measurements to evaluate problems and limits of the different approaches and I designed a new configuration of sensors integrable on chip, optimized for the detection of particles with aerodynamic diameter of 1 µm.

Il controllo della qualità dell’aria risulta di grande attualità. Recenti studi hanno dimostrato che la quantità e la composizione delle polveri che vi sono sospese incidono pesantemente sulla qualità della vita. Un controllo sempre più preciso e pervasivo è necessario anche al fine di intervenire tempestivamente con politiche atte a limitare i rischi. La strumentazione attuale presenta delle grosse criticità in termini di costo, miniaturizzazione e trasporto. Uno strumento basato sulla misura impedenziale, già utilizzata in altri campi per il conteggio di singole particelle, può essere una valida alternativa. La sua semplicità e la sua integrabilità potrebbero permettere di realizzare strumenti molto compatti e a basso costo integrabili in un prossimo futuro nei più moderni smartphone. Un primo prototipo di rilevatore di PM che utilizza la tecnica della misura impedenziale è già stato realizzato all’interno del laboratorio di elettronica guidato dal prof. Marco Sampietro presso il DEIB del Politecnico di Milano. I limiti che questo strumento presenta in termini di minima dimensione rilevabile (PM8) possono essere migliorati pensando ad una strumento in cui la sensoristica e l’elettronica sono integrati sullo stesso chip. Nel mio progetto di tesi presso il laboratorio gestito dal prof. Marco Sampietro mi sono occupato di studiare, attraverso simulazioni agli elementi finiti, la possibilità di utilizzare un chip già disponibile come rilevatore di particolato e come ottimizzare le misure; del progetto e della realizzazione di una PCB contenente l’elettronica di comando e di lettura del chip stesso; della caratterizzazione elettronica con particolare attenzione al rumore, per valutare l’effettiva risoluzione del sistema; delle misure, al fine di valutare le criticità e i limiti dei diversi approcci ed infine del progetto di una nuova configurazione di sensori integrabili su chip ottimizzati per il rilevamento di particelle con diametro aerodinamico di 1 µm.