Electronic nose << naris >> optimization for novel applications: simulations and experimental results

This work represents a compendium of the activities developed in the frame of the main research line of the Sensors and Microsystem Group of the Electronic Engineering Department of the University of Roma Tor Vergata. Also it is worth to point out that all the experimental and simulation part was developed at the IMM-Roma CNR. The rationale at the bottom of this thesis was the optimization of an Electronic Nose (EN) for space applications on one hand and on the other hand the development of new ideas oriented to the room and energy saving paradigm. The crucial segment of the overall EN design is certainly the test chamber (naris) where sensors are located and where fluid dynamic problems if not solved, may represent one of the most relevant drawback of the entire system. This PhD thesis has been concentrated on the following three parts: Test chamber optimization of a QCM EN for space applications In this context a long period of time (about two years, was dedicated to the flow simulation in a varieties of chambers including sensors with the aim of revealing all the anomalies due to turbulence phenomena. These are the main responsible of the non homogeneous responses of the sensors and for this reason they should be controlled in order to left them confined in non sensitive spaces. Laminar flow conditions were identified with accuracy and the final position of the sensors well optimized as confirmed by experimental achievements. Heater design on a QCM Also this part was faced in the frame of an optimized simulation with the aim of designing a heater for uniform heat distribution on the QCM surface and volume. This part the thesis was aimed at defining the heating conditions for faster desorption processes temperature activated. In practice the result were fully satisfactory. In fact shorter and controlled desorption times were measured in the context of a campaign aiming at defining the degree of precision which is necessary in real operative conditions. Design of a new multichannel quartz based EN As a further effort a worth of attention and time was paid towards the design and optimization of a new very compact part of the EN In this context a new idea was successfully tested. Four electrode couples were allocated symmetrically in the quartz surfaces in order to have in a single substrate four possible smaller QCM Results obtained analyzing the four different oscillating frequencies demonstrated the success obtained in implementing this idea. The main result was the measurement of a little interference among the different resonators which makes this solution very much suitable for space application in virtue of its robust design and efficiency. All the work done was experimentally evaluated with a high degree of satisfaction from the simulation and practical behaviour achieved in long term experiments.

Il presente lavoro rappresenta un compendio delle attività svolte nel quadro delle attività di ricerca del gruppo “Sensori e Microsistemi” del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’università di Tor Vergata di Roma. Tutta la parte relativa alla sperimentazione e alle simulazioni è stata inoltre sviluppata presso l’Istituto di Microelettronica e Microsistemi del CNR di Roma. La finalità della tesi concerne l’ottimizzazione di un “Naso Elettronico” per applicazioni spaziali, da un lato, e lo sviluppo di nuove idee orientate all’ampliamento delle potenzialità del dispositivo. La parte cruciale del design di un Naso Elettronico consiste nella progettazione della camera di misura (la “narice”), dove risiedono i sensori, le cui caratteristiche fluidodinamiche, se non valutate attentamente possono risultare in un complessivo scarso rendimento del sistema. Il lavoro svolto si riassume nelle seguenti tre parti: Ottimizzazione di un naso elettronico basato su microbilance di quarzo per applicazioni spaziali Un lungo periodo di tempo è stato dedicato alle simulazioni fluidodinamiche di differenti camere di misura con lo scopo di evidenziare tutte le anomalie dovute a fenomeni di turbolenza. Questi sono responsabili della non omogeneità nella risposta dei sensori e perciò devono essere controllati e confinati entro certi limiti di tollerabilità. Sono state identificate le condizioni di flusso laminare e le posizioni dei sensori sono state ottimizzate. I risultati delle simulazioni sono stati confermati da riscontri sperimentali. Design di un riscaldatore su QCM Una varietà di riscaldatori integrati su microbilancia di quarzo è stata progettata e le varie caratteristiche di uniformità di distribuzione di temperatura sono state analizzate tramite simulazioni ad elementi finiti. Questa parte della tesi ha avuto l’obiettivo di valutare processi di desorbimento rapidi attivati da un incremento di temperatura. Gli esperimenti che sono seguiti alla progettazione hanno evidenziato la possibilità di ridurre e controllare i tempi di desorbimento necessari per ripristinare il sensore alle condizioni iniziali. Realizzazione di una microbilancia di quarzo multicanale L’ultima parte del lavoro ha riguardato la progettazione e la realizzazione di una microbilancia multicanale. Quattro coppie di elettrodi sono state depositate su un singolo substrato di quarzo al fine di ottenere l’integrazione di quattro risonatori indipendenti su un’unica lamina di cristallo. I risultati ottenuti analizzando le quattro differenti frequenze di oscillazione hanno mostrato la validità dell’idea implementata. Il principale risultato consiste nella bassissima interferenza rilevata tra i quattro canali realizzati, risultato che rende questa soluzione particolarmente adatta ad applicazioni spaziali.