Sviluppo di innovativi sensori di campo magnetico con aspetti di tuning per un ampio campo operativo

The research activity discussed in the following manuscript is based on the implementation, fabrication and characterization of an integrated magnetic field sensor in PiezoMUMPs technology, to use in two alternative applicative contexts, such as the mapping of the magnetic field dispersed in a particle accelerator and “smart cities parking”. The duality of application is correlated to the typology of the mentioned PhD project which the Ministry of Education, University and Research (MIUR) has subsidized with the clause to spend a time period abroad, in a research entity, and a time period in a company. In detail, the two institutions involved in the project are the European Organization for Nuclear Research (CERN), in Geneva, and Paradox Engineering company, in Novazzano, respectively for the dispersion of the magnetic field in an accelerator particle and for “smart cities” application. Therefore, taking into account that the detection of magnetic fields to be measured is completely unalike in both cases, the aim to be reached has been the realization of a tunable integrated micromechanical device having a wide operative range, that is [1 μT – 2 T]. As explained later, the operative range has been selected considering the alteration of the geomagnetic field generated by a car for the lower extreme, whereas the high magnetic fields (B ~ 2 T), used in Large Hadron Collider (LHC) tunnel to deflect bunches of proton particles, for the upper extreme. The challenge has been correlated to the opportunity of using the same microelectromechanical system (MEMS) to detect and to measure completely different static or quasi-static magnetic fields. Another important feature in terms of realization has been connected to the readout strategy; indeed, in relation to this point, several solutions have been investigated (resistive, capacitive, optic and piezoelectric output) in order to pursue the goal of a magnetic field sensor having low consumption, reduced conditioning circuit and capable of being self-generating. Therefore, the following manuscript has been split into four chapters:  in Chapter I, the magnetometers actuated by Lorentz force have been described in order to examine the actuation mechanism;  in Chapter II, a specific category of Lorentz force magnetometers, U-shaped beam cantilever, have been analysed, paying attention to several fabrication technologies and readout strategies (resistive, capacitive, optic and piezoelectric); in details, the PiezoMUMPs technology has been estimated as the most promising;  in Chapter III, the research activity has been focused on a new architecture of U-shaped beam cantilever, Meander MEMS device, that has been examined in terms of static and dynamic model (through Matlab-Simulink) and FEM analysis to evaluate stress, displacement and modal analysis (using Comsol Multiphysics); in addition, the MEMSPro CAD has been used in order to realize the layouts;  in Chapter IV, the last one, the phases of testing and characterization of the integrated MEMS device, at first as accelerometer and later as magnetic field sensor, has been illustrated; preliminary results, coming from measurements implemented at CERN, in Geneva, have been discussed and the fabrication of a second run of MEMS prototypes with the realization of a suitable conditioning circuit in order to perform experimental measurements in Paradox Engineering company, in Novazzano, is presented. Unfortunately, the pandemic due to COVID-19 virus imposed suddenly to interrupt the following research activity.

L'attività di ricerca discussa nella seguente tesi si basa sull'implementazione, fabbricazione e caratterizzazione di un sensore di campo magnetico integrato nella tecnologia PiezoMUMPs, da utilizzare in due contesti applicativi differenti, come la mappatura del campo magnetico disperso in un acceleratore di particelle e " parcheggio per città intelligenti ". La dualità dell'applicazione è correlata alla tipologia del menzionato progetto di dottorato che il Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (MIUR) ha sovvenzionato con la clausola di trascorrere un periodo all'estero, in un'entità di ricerca e un periodo di tempo in un'azienda . Nel dettaglio, le due istituzioni coinvolte nel progetto sono l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN), a Ginevra, e la società Paradox Engineering, a Novazzano, rispettivamente per la dispersione del campo magnetico in un acceleratore di particelle e per l'applicazione "città intelligenti". Pertanto, tenendo conto del fatto che il rilevamento dei campi magnetici da misurare è completamente diverso in entrambi i casi, l'obiettivo da raggiungere è stato la realizzazione di un dispositivo microelettromeccanico integrato sintonizzabile con un ampio campo operativo, ovvero [1 μT - 2 T ]. Come spiegato più avanti, il campo operativo è stato selezionato considerando l'alterazione del campo geomagnetico generato da un'auto per l'estremo inferiore, mentre gli alti campi magnetici (B ~ 2 T), utilizzati nel tunnel Large Hadron Collider (LHC) per deviare i gruppi di particelle protoniche, per l'estremo superiore. La sfida è stata correlata all'opportunità di utilizzare lo stesso sistema microelettromeccanico (MEMS) per rilevare e misurare campi magnetici statici o quasi statici completamente diversi. Un'altra caratteristica importante in termini di realizzazione è stata collegata alla strategia di lettura; in effetti, in relazione a questo punto, sono state studiate diverse soluzioni (uscita resistiva, capacitiva, ottica e piezoelettrica) al fine di perseguire l'obiettivo di un sensore di campo magnetico a basso consumo, circuito di condizionamento ridotto e in grado di auto-generarsi. Pertanto, il seguente manoscritto è stato suddiviso in quattro capitoli:  nel capitolo I sono stati descritti i magnetometri azionati dalla forza di Lorentz per esaminare il meccanismo di attuazione;  nel capitolo II è stata analizzata una categoria specifica di magnetometri a forza di Lorentz, U-shaped beam cantilevers, prestando attenzione a diverse tecnologie di fabbricazione e strategie di lettura (resistive, capacitive, ottiche e piezoelettriche); in dettaglio, la tecnologia PiezoMUMPs è stata stimata come la più promettente;  nel capitolo III, l'attività di ricerca si è concentrata su una nuova architettura di U-shaped beam cantilever, dispositivo MEMS Meander, che è stata esaminata in termini di modello statico e dinamico (attraverso Matlab-Simulink) e analisi FEM per valutare lo stress, spostamento e analisi modale (usando Comsol Multiphysics); inoltre, è stato utilizzato il MEMSPro CAD per realizzare i layout;  nel capitolo IV, sono state illustrate le fasi di test e caratterizzazione del dispositivo MEMS integrato, dapprima come accelerometro e successivamente come sensore di campo magnetico; sono stati discussi i risultati preliminari, provenienti dalle misurazioni implementate al CERN, a Ginevra, e presentata la fabbricazione di una seconda serie di prototipi MEMS con la realizzazione di un circuito di condizionamento idoneo per eseguire misure sperimentali presso la società Paradox Engineering, a Novazzano . Sfortunatamente, la pandemia dovuta al virus COVID-19 ha comportato l'interruzione del regolare svolgimento dell'attività.