Future evolution of the electronics nose: technology and electronic design

The principal aim of this PhD thesis is a deep study of an artificial olfaction system (Electronic Nose – EN) mainly dedicated to space applications. The rather particular environment destined to host this apparatus has required a particular attention on many of the design details in order to infer about all those electrical and mechanical features which are necessary to overcome the very stringent stress parameters imposed by the space flight international organization. The request of a particular effort oriented to the overall optimization has produced a general quality factor which, we believe, will influence also all the terrestrial applications where performances may be of a lower level. The adopted strategy which was hold along the past three years has regarded the following points: a) miniaturization of the previous EN (Libra Nose) without reducing the digital flexibility and including all the interface circuits in a single FPGA; b) improvement of the analog part, in particular a new design of the oscillators, and of the analog interface toward the digital part. To this purpose a particular care at the design level has been paid towards: the reduction of occupied spaces, and consumption by using working supply voltages from 5 V. to 3V. and even 1,8 V.: reduction of about all the interferences among sensors; c) introduction of two new techniques improving the performances of the couple QCM sensor and oscillator; one of them is based on the utilization of a single oscillator for all the QCM sensors, reducing the occupied space for the circuits from N to 1, where N is the dimension of the sensor matrix; the other technique concerns the idea of performing the frequency measurement switching on each oscillator one in a time, saving in this way energy and achieving a better signal to noise ratio; d) increasing the overall performances of the sensing part with respect to the capability of increasing the sensitivity towards volatile compounds through the introduction of an integrated heater applied to one of the quartz surfaces. The basic idea considers the fact that the presence of such a heater contributes, once activated, to reduce the desorption time and, as a consequence, to reduce the recovery time in the cleaning phase. In this context by using a control system of the thermal sigma delta (TΔ) type, it has been proven that a better performance on the sensitivity/selectivity tuning with respect to the volatile compound adsorption, can be achieved. Moreover, by means of the utilization of the thermal sigma delta control, for the first time a flow sensor has been embedded on QCM. The main result of this thesis has been the acceptation on behalf of the International Space Agency of a space dedicated EN which was indeed used in the frame of the SOYUZ Mission. The passed space tests together with the results obtained during the Mission have confirmed the outstanding design done in the first part of this thesis. Further improvements have been achieved in the last thesis period allowing the availability of an instrument able to live long time in interplanetary Missions and as an important throughput, to be employed in many of the terrestrial applications regarding the industrial, food and agricultural, medicine, and ambient context.

Lo scopo principale di questa tesi di Dottorato è uno studio approfondito sul sistema olfattivo artificiale (Naso Elettronico - EN) principalmente dedicato ad applicazioni spaziali. L'ambiente spaziale, piuttosto particolare destinato ad ospitare questo apparecchio ha richiesto particolare attenzione nella progettazione in modo da rispondere in maniera completa a tutte quelle caratteristiche elettriche e meccaniche che sono necessarie per superare tutti i test molto rigorosi di imposti dall'organizzazione internazionale di volo spaziale. La progettazione particolarmente orientata verso l'ottimizzazione generale del sistema, ha prodotto un fattore di qualità generale che, crediamo, influenzerà tutte le applicazioni terrestri nelle quali le prestazioni possono essere di un livello più basso. La strategia di progettazione adottata e seguita nel corso dei tre anni ha considerato i seguenti punti: a) miniaturizzazione dell'EN precedente (Libra Nose) senza ridurre la flessibilità digitale, includendo tutti i circuiti di interfaccia in un singolo FPGA; b) miglioramento della parte analogica, in particolare un nuovo disegno degli oscillatori e dell'interfaccia analogica verso i sistemi digitali di conteggio. A tale scopo una cura particolare al livello di progettazione è stata rivolta verso: la riduzione degli spazi occupati e il consumo, usando tensioni di alimentazione nel range che va da 5 V. a 3V. e perfino 1.8 V.: riduzione di tutte le interferenze fra i sensori; c) l’introduzione di due nuove tecniche che migliorano le prestazioni della coppia sensore-oscillatore. La prima si basa sull'utilizzazione di un singolo oscillatore per tutti i sensori QCM, riducendo lo spazio occupato per i circuiti da N a 1, dove la N è la dimensione della matrice di sensori. L'altra tecnica si basa sull'idea di commutazione di misura di frequenza su ogni oscillatore, uno alla volta accendendo e spegnendo l’oscillatore posto sotto misura. In tal modo si risparmia energia e si ha un rapporto migliore di segnale/disturbo; d) l'aumento delle prestazioni generali della parte di rilevamento riguardo alla possibilità di aumento della sensibilità verso i composti volatili, attraverso l'introduzione di un riscaldatore integrato sulla superficie del quarzo. L'idea di base considera il fatto che la presenza di un tal riscaldatore contribuisce, una volta attivato, alla riduzione del tempo di desorbimento e di conseguenza, riduce il tempo di recupero nella fase di pulizia. In questo contesto è stato utilizzato un sistema di controllo termico, basato sulla tecnica Δ. Tale sistema può migliorare la ‘tunabilità’ della sensibilità/selettività del sensore chimico (QCM) nei confronti di vari composti volatili. Inoltre, grazie all’utilizzazione del controllo termico sigma-delta, per la prima volta un sensore di flusso è stato integrato su QCM. Il risultato principale di questa tesi è stata l’accettazione a nome dell'agenzia europea spaziale (ESA) di un Naso Elettronico dedicato spazio che effettivamente è stato utilizzato nella missione di ENEIDE del 2005. Le prove passate per la valutazione dei criteri di costruzione ‘Spazio’ insieme ai risultati ottenuti durante la missione hanno confermato il successo della progettazione fatta nella prima parte di questa tesi. Ulteriori miglioramenti sono stati realizzati nell'ultimo periodo di tesi permettendo la realizzazione di uno strumento in grado di ‘vivere’ molto tempo nelle missioni interplanetarie e cosa di notevole importanza, di essere impiegato in molte delle applicazioni terrestri come: nell’industria, nell’alimentazione, nell’agricoltura, e nella medicina.