ITMI20090873A1 - MULTIPARAMETRIC MICRO-SENSOR - Google Patents
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Description
Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: Patent application for industrial invention entitled:
“Micro-sensore multiparametrico” "Multi-parameter micro-sensor"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Campo deH'invenzione Field of the invention
La presente invenzione si riferisce ad un micro-sensore multiparametrico. The present invention refers to a multiparametric micro-sensor.
Stato della tecnica State of the art
Esistono sistemi integrati per la misura di velocità/portata di un flusso d’aria e della sua temperatura, mentre, la misura della concentrazione dello stesso gas è affidata ad un altro chip. There are integrated systems for measuring the speed / flow rate of an air flow and its temperature, while the measurement of the concentration of the same gas is entrusted to another chip.
La misura della velocità di un flusso d’aria risulta proporzionale alla portata dello stesso flusso in una condotta a sezione nota, per cui risulta equivalente la misura dell’una o dell’altra grandezza. Tale misura viene condotta con una tecnica di misura calorimetrica denominata anemometria a filo caldo. La temperatura viene misurata tramite una o più termoresistenze, ovvero sensori di temperatura che sfruttano la variazione della resistività di alcuni materiali al variare della temperatura. The measurement of the speed of an air flow is proportional to the flow rate of the same flow in a duct with a known section, so the measurement of one or the other quantity is equivalent. This measurement is carried out with a calorimetric measurement technique called hot wire anemometry. The temperature is measured by means of one or more resistance thermometers, i.e. temperature sensors that exploit the variation of the resistivity of some materials as the temperature varies.
Nella tecnica nota, la misura della velocità/portata e della temperatura di un flusso d’aria viene comunemente integrata in su un medesimo substrato. Mentre, la rivelazione della presenza di specie gassose reattive in concentrazione di traccia viene affidata ad un ulteriore sensore. In the known technique, the measurement of the speed / flow rate and the temperature of an air flow is commonly integrated into the same substrate. While, the detection of the presence of reactive gaseous species in trace concentration is entrusted to a further sensor.
Il fatto di dover affidare tali operazioni a sensori distinti discende dal fatto che risulta particolarmente complesso integrarli sullo stesso substrato, per cui non sono noti sensori integrati in grado di effettuare tutte le suddette misure. The fact of having to entrust these operations to distinct sensors derives from the fact that it is particularly complex to integrate them on the same substrate, so that no integrated sensors capable of carrying out all the aforementioned measurements are known.
Il problema tecnico che discende dalla separazione in due o più sensori consiste nel dover effettuare continue e ripetute operazioni di calibrazione per la riduzione di fenomeni indesiderati di deriva termica, proprio perché tali sensori noti sono realizzati su substrati distinti. The technical problem that arises from the separation into two or more sensors consists in having to carry out continuous and repeated calibration operations for the reduction of undesired phenomena of thermal drift, precisely because these known sensors are made on distinct substrates.
Infatti, essendo la temperatura un parametro essenziale per l’accuratezza delle misure ed essendo le misure correlate tra loro, un diverso comportamento di un sensore rispetto all’altro in relazione ad una variazione di temperatura determina una non accuratezza delle misure effettuate. In fact, since the temperature is an essential parameter for the accuracy of the measurements and the measurements are correlated with each other, a different behavior of one sensor compared to the other in relation to a temperature variation determines an inaccuracy of the measurements made.
Sommario dell’invenzione Summary of the invention
Scopo della presente invenzione è quello di fornire un micro-sensore multiparametrico atto a risolvere il suddetto problema. The object of the present invention is to provide a multiparametric micro-sensor suitable for solving the aforementioned problem.
E’ oggetto della presente invenzione un micro-sensore multiparametrico conformemente alla rivendicazione 1. The subject of the present invention is a multiparametric micro-sensor in accordance with claim 1.
Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di fornire un metodo di fabbricazione di un micro-sensore multiparametrico conforme con la rivendicazione 1. A further object of the invention is to provide a manufacturing method for a multiparametric micro-sensor in accordance with claim 1.
Dunque, è pure oggetto della presente invenzione un metodo di fabbricazione di un micro-sensore multiparametrico conforme alla rivendicazione X. Therefore, the present invention also relates to a manufacturing method of a multiparametric micro-sensor according to claim X.
Le applicazioni di un tale dispositivo possono essere molteplici, quali le misure di controllo, a livello industriale, di gas, le applicazioni in ambito gas-cromatografico, la rivelazione di parametri ambientali relativi all'inquinamento atmosferico, misure di emissione di gas in ambito automobilistico. The applications of such a device can be many, such as control measurements, at industrial level, of gas, applications in the gas-chromatographic field, the detection of environmental parameters relating to atmospheric pollution, gas emission measurements in the automotive field. .
Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione. The dependent claims describe preferred embodiments of the invention, forming an integral part of this description.
Breve descrizione delle Figure Brief description of the Figures
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un micro-sensore multiparametrico, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui: la Fig. 1a raffigura in pianta un sensore multiparametrico; Further characteristics and advantages of the invention will become more evident in the light of the detailed description of preferred, but not exclusive, embodiments of a multiparametric micro-sensor, illustrated by way of non-limiting example, with the aid of the attached drawing tables in which: Fig. 1a shows a plan view of a multi-parameter sensor;
la Fig. 1b raffigura un particolare della figura 1a; Fig. 1b shows a detail of Fig. 1a;
la Fig. 1c raffigura un altro particolare della figura 1a; Fig. 1c shows another detail of Fig. 1a;
la Fig. 2 rappresenta una sezione AA della figura precedente; Fig. 2 represents a section AA of the previous figure;
la Fig. 3 rappresenta un dettaglio della sezione in figura precedente; Fig. 3 represents a detail of the section in the previous figure;
le Figg. 4 rappresenta una successione delle fasi di lavorazione occorrenti alla realizzazione del sensore nelle figure precedente, di cui la figura 4e rappresenta una tabella esplicativa dei materiali impiegati nelle figure 4. Figs. 4 represents a succession of the processing steps required to make the sensor in the previous figures, of which figure 4e represents an explanatory table of the materials used in figures 4.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti. The same reference numbers and letters in the figures identify the same elements or components.
Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Un microsensore multiparametrico, così come mostrato nelle figure 1 e 2, conformemente con la presente invenzione, comprende su un medesimo substrato 10: Detailed description of a preferred embodiment of the invention A multiparametric microsensor, as shown in Figures 1 and 2, in accordance with the present invention, comprises on the same substrate 10:
- un sensore di velocità/portata 1 , detto anche sensore di flusso 1 ; - a speed / flow sensor 1, also called flow sensor 1;
- un sensore di temperatura 2; - a temperature sensor 2;
- un sensore di rivelazione di specie chimiche reattive 3, denominato di seguito sensore di gas 3. - a sensor for detecting reactive chemical species 3, hereinafter referred to as gas sensor 3.
Detto microsensore multiparametrico, oggetto della presente invenzione, comprende un substrato 10 preferibilmente di silicio monocristallino non solo per le sue proprietà elettriche ma anche per la sua adattabilità a processi di attacco chimico anisotropo che permettono la realizzazione di strutture tridimensionali, quali ponticelli, microleve e membrane sospese. Altri materiali possono però essere utilizzati come il quarzo, l’allumina, ecc. Said multiparametric microsensor, object of the present invention, comprises a substrate 10 preferably of monocrystalline silicon not only for its electrical properties but also for its adaptability to anisotropic chemical etching processes that allow the realization of three-dimensional structures, such as bridges, microleves and membranes suspended. However, other materials can be used such as quartz, alumina, etc.
Il sensore di flusso 1 comprende un riscaldatore 11 e due termoresistenze 12 e 12’, realizzate con tecniche fotolitografiche, cioè l’uso di photoresist, e conseguente attacco chimico, e deposizione di film sottili. Il riscaldatore 11 è realizzato mediante una serpentina metallica, preferibilmente di platino, ma possono essere utilizzati altri materiali quali ad esempio il polisilicio. The flow sensor 1 includes a heater 11 and two resistance thermometers 12 and 12 ', made with photolithographic techniques, i.e. the use of photoresists, and consequent chemical attack, and deposition of thin films. The heater 11 is made by means of a metal coil, preferably of platinum, but other materials such as for example polysilicon can be used.
Così come mostrato nella figura 2, il riscaldatore è parzialmente distribuito su un primo ponticello sospeso 13 ed un secondo ponticello sospeso 13’ di film dielettrico, paralleli tra loro, preferibilmente di ossido di silicio e/o nitruro di silicio che permettono l’isolamento termico del riscaldatore 11 dal substrato di silicio 10. Inoltre, dette porzioni di riscaldatore 11 sono distribuite affacciate l’una rispetto all’altra sui due ponticelli paralleli tra loro. Dove col termine sospeso si sottintende che è sospeso rispetto al substrato 10. Vale la pena evidenziare che le parti in grigio 14 rappresentano degli scavi realizzati nel substrato allo scopo di isolare le parti calde, cioè detto riscaldatore 11 dal restante substrato. As shown in Figure 2, the heater is partially distributed on a first suspended bridge 13 and a second suspended bridge 13 'of dielectric film, parallel to each other, preferably of silicon oxide and / or silicon nitride which allow thermal insulation. of the heater 11 from the silicon substrate 10. Furthermore, said heater portions 11 are distributed facing each other on the two bridges parallel to each other. Where the term suspended implies that it is suspended with respect to the substrate 10. It is worth pointing out that the parts in gray 14 represent excavations made in the substrate in order to isolate the hot parts, that is said heater 11 from the remaining substrate.
Anche le due termoresistenze 12 e 12' sono serpentine metalliche, l’una realizzata su detto primo ponticello 13, l’altra su detto secondo ponticello 13’. Si preferisce che esse siano in platino, ma possono essere utilizzati altri materiali quali ad esempio polisilicio. I ponticelli sospesi cioè gli scavi 14, sono realizzati tramite attacco chimico anisotropo del silicio, in modo tale da ottenere una rimozione del substrato di alcune decine di micrometri al di sotto dei ponticelli. The two resistance thermometers 12 and 12 'are also metal coils, one made on said first bridge 13, the other on said second bridge 13'. It is preferred that they are made of platinum, but other materials such as polysilicon can be used. The suspended bridges, ie the excavations 14, are made by anisotropic chemical etching of the silicon, in such a way as to obtain a removal of the substrate of a few tens of micrometers below the bridges.
Un flusso di gas 5 si divide nella prima porzione 50 che passa sopra ed una seconda porzione 51 che passa sotto i ponticelli, vedi figura 3. Il flusso di gas, fluendo trasversalmente rispetto alla loro estensione viene riscaldato dalla serpentina centrale, cioè il riscaldatore 11, e una differenza di temperatura viene rilevata dalle due termoresistenze 12 e 12’ rispettivamente a monte e valle rispetto al riscaldatore 11 e al flusso del gas 5. La misura della velocità del flusso risulta come diretta conseguenza della differenza di temperatura misurata a monte e a valle del riscaldatore. A gas flow 5 divides into the first portion 50 which passes above and a second portion 51 which passes under the bridges, see figure 3. The gas flow, flowing transversely with respect to their extension, is heated by the central coil, i.e. the heater 11 , and a temperature difference is detected by the two resistance thermometers 12 and 12 'respectively upstream and downstream with respect to the heater 11 and the gas flow 5. The measurement of the flow velocity results as a direct consequence of the temperature difference measured upstream and downstream of the heater.
I piedini A1 e A2 realizzati sul substrato 10 sono collegati elettricamente con detta seconda termoresistenza 12’, i piedini A3 e A4 sono collegati elettricamente con detta prima termoresistenza 12, mentre i piedini A5 e A6 sono collegati elettricamente con detto riscaldatore 11. The pins A1 and A2 made on the substrate 10 are electrically connected with said second thermoresistance 12 ', pins A3 and A4 are electrically connected with said first thermoresistance 12, while pins A5 and A6 are electrically connected with said heater 11.
II sensore di temperatura 2 comprende una serpentina metallica 21, preferibilmente in platino, ma possono essere utilizzati altri materiali quali ad esempio polisilicio, realizzata con tecniche fotolitografiche e deposizione di film sottili. I piedini A7 e A12 sono ricavati sul substrato 10 e consentono il collegamento elettrico con detto sensore di temperatura 2. The temperature sensor 2 comprises a metal coil 21, preferably made of platinum, but other materials can be used such as for example polysilicon, made with photolithographic techniques and thin film deposition. The pins A7 and A12 are obtained on the substrate 10 and allow the electrical connection with said temperature sensor 2.
Quando un flusso di gas 5 è a contatto con la termoresistenza, la sua temperatura modifica la resistività e quindi il valore di resistenza della serpentina. Una lettura del valore di resistenza può quindi essere correlato alla temperatura del gas. When a gas flow 5 is in contact with the resistance thermometer, its temperature modifies the resistivity and therefore the resistance value of the coil. A reading of the resistance value can then be related to the gas temperature.
Il sensore di gas 3 è realizzato con le stesse tecnologie di realizzazione del sensore di flusso, accoppiate alla deposizione di un film di ossido nanostrutturato 34. In particolare, il sensore di gas 3 comprende un ponticello 31 sospeso rispetto al substrato 10 in materiale dielettrico, preferibilmente di ossido di silicio e/o nitruro di silicio, realizzato tramite attacco chimico anisotropo del silicio, in modo tale da ottenere una rimozione del substrato di alcune decine di micrometri al di sotto del ponticello. Al di sopra del ponticello 31 vi è un riscaldatore 32 accessibile dai piedini A8 e A10 e due elettrodi interdigitati 33 e 33’ accessibili dai piedini A9 e A1 1 e realizzati in modo da essere accostati al riscaldatore 32 senza toccarsi tra loro e col riscaldatore. Infatti, una sorta di continuità elettrica tra detti elettrodi interdigitati è realizzata attraverso un film di ossido nanostrutturato 34 di cui l'intero ponticello 31 è ricoperto. Detti elettrodi interdigitati 33 e 33' sono preferibilmente realizzati con tecniche fotolitografiche. The gas sensor 3 is made with the same manufacturing technologies as the flow sensor, coupled to the deposition of a nanostructured oxide film 34. In particular, the gas sensor 3 comprises a bridge 31 suspended with respect to the substrate 10 made of dielectric material, preferably of silicon oxide and / or silicon nitride, obtained by anisotropic chemical etching of the silicon, in such a way as to obtain a removal of the substrate of some tens of micrometers below the bridge. Above the jumper 31 there is a heater 32 accessible from pins A8 and A10 and two interdigitated electrodes 33 and 33 'accessible from pins A9 and A1 1 and made so as to be approached to the heater 32 without touching each other and with the heater. In fact, a sort of electrical continuity between said interdigitated electrodes is achieved through a nanostructured oxide film 34 with which the entire bridge 31 is covered. Said interdigitated electrodes 33 and 33 'are preferably made with photolithographic techniques.
Detto deposito di film 34 viene preferibilmente realizzato mediante un fascio supersonico di nanoparticelle generato ad esempio da una sorgente a microplasma pulsato, indicata generalmente con l’acronimo PMCS dall'espressione anglosassone pulsed microplasma cluster source. Said film deposit 34 is preferably made by means of a supersonic beam of nanoparticles generated for example by a pulsed microplasma source, generally indicated with the acronym PMCS from the Anglo-Saxon expression pulsed microplasma cluster source.
Il film di ossido nanostruttrato rappresenta la parte sensibile del sensore di gas 3, così come illustrato di seguito. The nanostructured oxide film represents the sensitive part of the gas sensor 3, as illustrated below.
Gli ossidi nanostrutturati di interesse per la rivelazione di sostanze chimiche e sintetizzabili mediante PMCS possono essere diversi, di cui, per esempio Sn02, W03, Fe203, ZnO, PdOx, NbOx, MoOx, etc.. The nanostructured oxides of interest for the detection of chemicals and synthesizable by PMCS can be different, of which, for example Sn02, W03, Fe203, ZnO, PdOx, NbOx, MoOx, etc ..
L'uso di un fascio supersonico di nanoparticelle, non produce alcun surriscaldamento né alcuna sollecitazione meccanica dei substrati, risultando dunque perfettamente compatibile con la deposizione su strutture microlavorate a temperatura ambiente. The use of a supersonic beam of nanoparticles does not produce any overheating or mechanical stress on the substrates, making it therefore perfectly compatible with deposition on micro-processed structures at room temperature.
Impiegando il metodo di deposizione di film sottili di materiale nanostrutturato sul substrato lavorato descritto nel brevetto italiano n. MI2007A002392, si dispone una maschera rigida traforata in punti specifici e si impiega un fascio supersonico di nanoparticelle in modo da consentire: Using the method of deposition of thin films of nanostructured material on the worked substrate described in the Italian patent n. MI2007A002392, a rigid perforated mask is placed in specific points and a supersonic beam of nanoparticles is used in order to allow:
- la deposizione del materiale attivo nelle sole zone della piattaforma microlavorata dedicate al sensing chimico, evitando ogni contaminazione delle zone dedicate alle misure di velocità/portata e di temperatura; - deposition of the active material only in the areas of the micromachined platform dedicated to chemical sensing, avoiding any contamination of the areas dedicated to speed / flow rate and temperature measurements;
- di evitare i metodi foto-litografici preservando la purezza dei film sensibili nanostrutturati dedicati al sensing chimico; - to avoid photo-lithographic methods while preserving the purity of sensitive nanostructured films dedicated to chemical sensing;
- di effettuare deposizioni in parallelo (batch) di un grande numero di dispositivi contemporaneamente. - to carry out batch depositions of a large number of devices at the same time.
La rivelazione della presenza di specie chimiche reattive ha luogo misurando la resistenza elettrica del film sottile 34 di ossido nanostrutturato, contattato elettricamente mediante i due elettrodi interdigitati 33 e 33’. Il riscaldatore è necessario per portare la temperatura di lavoro dell'ossido nanostrutturato a valori dell'ordine di 300-350°C, in corrispondenza dei quali si verificano reazioni chimiche di superficie, dovute alla natura dell’atmosfera in cui è immerso il sensore 3, responsabili della variazione della resistenza elettrica del film 34 e misurabile ai piedini A9 e A11 dei due elettrodi interdigitati 33 e 33’. Un siffatto sensore, dunque, si dice essere di tipo conduttimetrico o chemoresistivo. The detection of the presence of reactive chemical species takes place by measuring the electrical resistance of the thin film 34 of nanostructured oxide, electrically contacted by the two interdigitated electrodes 33 and 33 '. The heater is necessary to bring the working temperature of the nanostructured oxide to values of the order of 300-350 ° C, in correspondence with which surface chemical reactions occur, due to the nature of the atmosphere in which the sensor 3 is immersed. , responsible for the variation of the electrical resistance of the film 34 and measurable at the pins A9 and A11 of the two interdigitated electrodes 33 and 33 '. Such a sensor, therefore, is said to be of the conductometric or chemoresistive type.
La presenza di sostanze chimiche reattive è rivelata, dunque, attraverso la variazione della resistenza elettrica di un film di ossido nanostrutturato mantenuto ad alta temperatura in aria. Esempi di sostanze chimiche rivelabili sono: idrogeno, N02, CO, ammoniaca, etilene, etanolo, metanolo, ecc. The presence of reactive chemicals is therefore revealed through the variation of the electrical resistance of a nanostructured oxide film maintained at a high temperature in air. Examples of detectable chemicals are: hydrogen, N02, CO, ammonia, ethylene, ethanol, methanol, etc.
Vantaggiosamente, un dispositivo integrato, conforme con la presente invenzione, consente di: Advantageously, an integrated device, in accordance with the present invention, allows to:
- misurare la velocità di un flusso d'aria e/o la portata della condotta d'aria di sezione nota; - measuring the speed of an air flow and / or the flow rate of the air duct of known section;
- misurare la temperatura del flusso d’aria; - measure the temperature of the air flow;
- rivelare la presenza nel flusso d’aria di generiche sostanze chimiche reattive, o di misurare la concentrazione di specie chimiche note - reveal the presence in the air flow of generic reactive chemicals, or measure the concentration of known chemical species
senza però soffrire il problema della deriva termica, in quanto detto sensore di temperatura 2 è direttamente ricavato sul substrato 10, per cui porta in conto le variazioni di temperatura dello stesso compensandole. Grazie a ciò, il dispositivo oggetto della presente invenzione risulta assolutamente stabile e affidabile dal punto di vista termico, poiché l’integrazione delle diverse tipologie di sensori sullo stesso chip, consente una compensazione intrinseca degli effetti della temperatura, per cui le procedure di calibrazione per la riduzione di fenomeni indesiderati di deriva termica nel tempo non sono più necessarie. without however suffering the problem of thermal drift, since said temperature sensor 2 is directly obtained on the substrate 10, so that it takes into account the variations in temperature thereof by compensating them. Thanks to this, the device object of the present invention is absolutely stable and reliable from the thermal point of view, since the integration of the different types of sensors on the same chip, allows an intrinsic compensation of the temperature effects, so the calibration procedures for the reduction of undesirable phenomena of thermal drift over time are no longer necessary.
Il metodo di fabbricazione del presente trovato impiega un processo di microfabbricazione basato su bulk micromachining combinato con le caratteristiche di collimazione dei fasci supersonici di nanoparticelle per creare pattern ordinati di ossidi nanostrutturati in corrispondenza di pre-esistenti microlavorazioni, come ad esempio metallizzazioni interdigitate, mediante un sistema a maschera rigida. The manufacturing method of the present invention employs a microfabrication process based on bulk micromachining combined with the collimation characteristics of the supersonic beams of nanoparticles to create ordered patterns of nanostructured oxides in correspondence with pre-existing micromachining, such as for example interdigitated metallizations, by means of a rigid mask system.
Si rende, dunque possibile realizzare dispositivi integrati miniaturizzati con caratteristiche multisensoriali e con una metodologia di produzione di massa. It is therefore possible to create miniaturized integrated devices with multisensory characteristics and with a mass production methodology.
Oltre alla possibilità di eseguire misure multi-parametriche, l'integrazione su uno stesso chip delle tre differenti tipologie di sensori proposte ha il vantaggio di consentire l’esecuzione di tali misure in modo estremamente localizzato, e, di conseguenza, di ottenere, tramite l’uso di un numero elevato di dispositivi, mappe di misura spazialmente dettagliate. In addition to the possibility of performing multi-parametric measurements, the integration on the same chip of the three different types of sensors proposed has the advantage of allowing the execution of these measurements in an extremely localized way, and, consequently, of obtaining, through the use of a large number of devices, spatially detailed measurement maps.
Con riferimento alle figure 4, su un substrato di 10 di silicio monocristallino oppure quarzo o allumina viene dapprima depositato un film dielettrico 20, preferibilmente ossido di silicio e/o nitruro di silicio, dopo di che vengono realizzate le parti conduttive 30, cioè le termoresistenze 32, 33, 33’, 12 e 12’, e i contatti A1....A12, con metalli come platino oppure col polisilicio, attraverso tecniche fotolitografiche. A questo punto i ponticelli e le parti sospese vengono realizzate a mezzo di attacco chimico anisotropo del silicio, in modo tale da ottenere una rimozione del substrato di alcune decine di micrometri e quindi viene depositato un film sottile 34 di ossidi nanostrutturati a mezzo di un fascio supersonico di nanoparticelle generato ad esempio da una sorgente a microplasma pulsato PMCS. With reference to Figures 4, a dielectric film 20, preferably silicon oxide and / or silicon nitride, is first deposited on a substrate of 10 of monocrystalline silicon or quartz or alumina, after which the conductive parts 30 are formed, i.e. the thermoresistances 32, 33, 33 ', 12 and 12', and the contacts A1 .... A12, with metals such as platinum or with polysilicon, through photolithographic techniques. At this point the jumpers and the suspended parts are made by means of anisotropic chemical etching of the silicon, in such a way as to obtain a removal of the substrate of a few tens of micrometers and then a thin film 34 of nanostructured oxides is deposited by means of a beam supersonic of nanoparticles generated for example by a PMCS pulsed microplasma source.
Sono chiari i vantaggi derivanti dall'applicazione della presente invenzione: The advantages deriving from the application of the present invention are clear:
- oltre alla possibilità di eseguire misure multi-parametriche, l’integrazione su uno stesso chip delle tre differenti tipologie di sensori proposte ha il vantaggio di consentire l’esecuzione di tali misure in modo estremamente localizzato, cioè su un medesimo campione di aria e, di conseguenza, di ottenere, tramite l’uso di un numero elevato di dispositivi conformi con la presente invenzione, mappe di misura spazialmente dettagliate; - in addition to the possibility of performing multi-parametric measurements, the integration on the same chip of the three different types of sensors proposed has the advantage of allowing the execution of these measurements in an extremely localized way, i.e. on the same sample of air and, consequently, to obtain, through the use of a large number of devices in accordance with the present invention, spatially detailed measurement maps;
- inoltre l’integrazione delle diverse tipologie di sensori sullo stesso chip conferisce una maggiore stabilità termica rispetto ai sistemi modulari, che tipicamente richiedono procedure di calibrazione per la riduzione di fenomeni indesiderati di deriva termica nel tempo. - Furthermore, the integration of different types of sensors on the same chip gives greater thermal stability than modular systems, which typically require calibration procedures to reduce unwanted thermal drift phenomena over time.
Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinate senza peraltro uscire daH’ambito di protezione della presente domanda. The elements and characteristics illustrated in the various preferred embodiments can be combined without however departing from the scope of protection of the present application.
(FIU/as) (FIU / as)
Claims (13)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| IT000873A ITMI20090873A1 (en) | 2009-05-19 | 2009-05-19 | MULTIPARAMETRIC MICRO-SENSOR |
Applications Claiming Priority (1)
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| IT000873A ITMI20090873A1 (en) | 2009-05-19 | 2009-05-19 | MULTIPARAMETRIC MICRO-SENSOR |
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| ITMI20090873A1 true ITMI20090873A1 (en) | 2010-11-20 |
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Family Applications (1)
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4006085A1 (en) * | 1990-02-27 | 1991-08-29 | Bosch Gmbh Robert | Heated solid state gas flow sensor combining compsn. measurement - by integration of reacting layer and heating track on the same substrate using thick-thin film techniques |
| US5515714A (en) * | 1994-11-17 | 1996-05-14 | General Motors Corporation | Vapor composition and flow sensor |
| US5708585A (en) * | 1995-03-20 | 1998-01-13 | General Motors Corporation | Combustible gas measurement |
| US20020118027A1 (en) * | 2000-10-24 | 2002-08-29 | Dmitri Routkevitch | Nanostructured ceramic platform for micromachined devices and device arrays |
| US6550310B1 (en) * | 2000-11-28 | 2003-04-22 | Honeywell International Inc. | Catalytic adsorption and oxidation based carbon monoxide sensor and detection method |
| US20030119197A1 (en) * | 2001-12-20 | 2003-06-26 | Ulrich Bonne | Fluid mixture composition sensor |
| WO2008088780A1 (en) * | 2007-01-12 | 2008-07-24 | University Of Pittsburgh-Of The Commonwealth System Of Higher Education | Detection of nitric oxide by nanostructured sensor |
-
2009
- 2009-05-19 IT IT000873A patent/ITMI20090873A1/en unknown
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4006085A1 (en) * | 1990-02-27 | 1991-08-29 | Bosch Gmbh Robert | Heated solid state gas flow sensor combining compsn. measurement - by integration of reacting layer and heating track on the same substrate using thick-thin film techniques |
| IT1244741B (en) * | 1990-02-27 | 1994-08-08 | Bosch Gmbh Robert | SENSOR TO DETERMINE THE COMPOSITION OF GASEOUS MIXTURES AND THE SPEED OF GAS AT THE SAME TIME |
| US5515714A (en) * | 1994-11-17 | 1996-05-14 | General Motors Corporation | Vapor composition and flow sensor |
| US5708585A (en) * | 1995-03-20 | 1998-01-13 | General Motors Corporation | Combustible gas measurement |
| US20020118027A1 (en) * | 2000-10-24 | 2002-08-29 | Dmitri Routkevitch | Nanostructured ceramic platform for micromachined devices and device arrays |
| US6550310B1 (en) * | 2000-11-28 | 2003-04-22 | Honeywell International Inc. | Catalytic adsorption and oxidation based carbon monoxide sensor and detection method |
| US20030119197A1 (en) * | 2001-12-20 | 2003-06-26 | Ulrich Bonne | Fluid mixture composition sensor |
| WO2008088780A1 (en) * | 2007-01-12 | 2008-07-24 | University Of Pittsburgh-Of The Commonwealth System Of Higher Education | Detection of nitric oxide by nanostructured sensor |
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