Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, delle Infrastrutture e dell'Energia Sostenibile - Università Mediterranea di Reggio Calabria - Didattica

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Fondamenti chimici per la sensoristica

Corso

Ingegneria Elettronica

Curriculum

ELETTRONICA PER LA BIOMEDICA

Orientamento

Generale

Anno Accademico

2021/2022

Crediti

Settore Scientifico Disciplinare

CHIM/07

Anno

Secondo anno

Unità temporale

Primo semestre

Ore aula

Attività formativa

Attività formative a scelta dello studente (art.10, comma 5, lettera a)

Canale unico

Docente

ANDREA DONATO

Obiettivi

Al termine del corso lo studente matura conoscenze di base per la comprensione e l'utilizzo di sensori e/o trasduttori. In particolare lo studente impara ad affrontare l'argomento da un punto di vista strutturale, enfatizzando gli elementi comuni delle diverse tipologie di sensori e la loro valutazione e caratterizzazione. Gli argomenti sono focalizzati evidenziando l'esigenza di un continuo sviluppo tecnologico, per soddisfare le crescenti richieste del mercato, per la realizzazione di “array” di sensori sempre più specifici e selettivi. L’attività didattica è quindi mirata anche ad illustrare i principi teorici delle nanotecnologie che sono alla base delle moderne tecniche di fabbricazione dei sensori.
Durante il corso sono evidenziate le diverse possibili applicazioni per i sensori:
a) Applicazioni ambientali per il monitoraggio dell’inquinamento;
b) Applicazioni sanitarie e nel campo biomedico (sensori chimici per la salute);
c) Applicazioni nell'industria automobilistica (controllo della miscela aria-carburante, gas di scarico, qualità dell’aria nell’abitacolo, ecc…), alimentare, nell'agricoltura e nelle biotecnologie.
Il corso prevede altresì una piccola parte sperimentale degli argomenti teorici, sarà infatti realizzato in laboratorio un sensore resistivo, attraverso preparazione e deposizione di ossidi metallici semiconduttori, e successiva caratterizzazione elettrica con l’utilizzo di scheda circuitale di Arduino. Questa attività sarà finalizzata per una migliore comprensione dei principi teorici studiati.

Conoscenza e comprensione: a seguito del superamento dell’esame, lo studente acquisisce le nozioni e i principi fondamentali che regolano il funzionamento dei sensori, per le diverse applicazioni.

Capacità di applicare conoscenze: a seguito del superamento dell’esame, lo studente è in grado di analizzare le caratteristiche dei materiali conduttori, semiconduttori, isolanti e dei sistemi elettrochimici.

Autonomia di giudizio: per il superamento dell'esame lo studente deve rispondere autonomamente a domande teoriche, a risposta libera ed è quindi portato a sviluppare autonomia di giudizio sulla completezza e la correttezza delle risposte fornite.

Abilità comunicative: è in grado di illustrare i principi teorici che sono alla base del fenomeno illustrato.

Capacità di apprendimento: a seguito del superamento dell’esame, lo studente è in grado di apprendere in autonomia le problematiche connesse con il fenomeno osservato.

Modalità di accertamento e valutazione:
La modalità di esame e di valutazione consiste:
- in una prova orale, volta ad accertare la comprensione degli aspetti teorici delle problematiche chimico fisiche che regolano il comportamento dei materiali in genere e dei sistemi elettrochimici, voto massimo 30/30.
- Al fine del superamento dell’esame con votazione minima di 18 - 19 è necessario che le conoscenze / competenze possedute dallo studente sui principali argomenti del corso siano almeno ad un livello di nozioni elementari di base, conoscenza di base del linguaggio tecnico, sufficiente capacità interpretativa, sufficiente capacità di applicare le conoscenze di base acquisite;
- E’ attribuito invece un voto compreso fra 20 e 23 quando lo studente possegga conoscenza adeguata degli argomenti ma limitata padronanza degli stessi, soddisfacente proprietà di linguaggio, corretta capacità interpretativa, più che sufficiente capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
- E’ attribuito un voto compreso fra 24 – 27 quando lo studente dimostri buona conoscenza degli argomenti con un buon grado di padronanza, buona proprietà di linguaggio, corretta e sicura capacità interpretativa, buona capacità di applicare in modo corretto la maggior parte delle conoscenze per risolvere i problemi proposti;
- E’ attribuito un voto compreso fra 28 – 30 quando lo studente dimostri conoscenza completa e approfondita degli argomenti, ottima proprietà di linguaggio, completa ed efficace capacità interpretativa, in grado di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;

- E’ attribuita la valutazione di 30 e lode quando lo studente possiede conoscenza completa, approfondita e critica degli argomenti, eccellente proprietà di linguaggio, completa ed originale capacità interpretativa, piena capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
- E’ attribuita la valutazione di Insufficiente quando lo studente non possiede una conoscenza accettabile degli argomenti trattati durante il corso.

Programma

Aspetti generali sui sensori: definizione e componenti. Materiali e metodi per la produzione di sensori chimici. I nanomateriali per la realizzazione dei sensori. Generalità. I nanomateriali metallici. La sintesi di nanoparticelle metalliche. La funzionalizzazione delle nanoparticelle. Applicazioni di nanoparticelle metalliche nei sensori chimici.
I Nanomateriali di carbonio. Struttura dei CNT. Sintesi di CNT. Reattività chimica e funzionalizzazione
Applicazioni CNTA nei sensori chimici. Le nanofibre di carbonio (CNF). Nanofibre polimeriche e inorganiche. Nanomateriali a semiconduttore. Sintesi e funzionalizzazione.
Sensori chimici basati su dispositivi elettronici a semiconduttore. La Teoria delle bande dei semiconduttori. Transistor ad effetto di campo in metallo-isolante-semiconduttore (MISFET). Sensori di ioni FED e loro applicazioni. Dispositivi elettrolita-isolante-semiconduttore (EIS). Sensori di pH FED. Sonde per gas basate su ISFET pH. ISFET coperti da membrana. Elettrodi di riferimento per sensori ISFET. Sensori di gas FED. Sensori di idrogeno FED. Sensori FED Metal Gate per altri gas. Semiconduttori organici come materiali sensibili al gas. Sensori di gas FED per semiconduttori organici. Meccanismo di risposta dei sensori di gas FED. Sensori di gas basati su diodi Schottky. Transistor ad effetto di campo basati su nanotubi di carbonio.
I sensori di gas resistivi (chemiresistori): Sensori di gas a ossido di metallo a semiconduttore. Il meccanismo di risposta al gas. La risposta all'umidità. La configurazione del sensore. La Sintesi e la deposizione di ossidi metallici. La fabbricazione di chemiresistori a ossido di metallo. La selettività e la sensibilità. I chemiresistori a base di materiali organici. Applicazioni di nanomateriali nei sensori di gas resistivi. Array di sensori di gas resistivi.
Metodi di trasduzione elettrochimica dinamica: Introduzione. Celle elettrochimiche nell'analisi amperometrica. La corrente elettrolitica e il suo significato analitico. Relazioni corrente-concentrazione La curva corrente-potenziale: selezione del potenziale di lavoro. Reazioni elettrochimiche irreversibili. Geometria del processo di diffusione. Elettrodi coperti da membrana. Processi non faradici. Origine delle correnti non faradiche. Il doppio strato elettrico all'interfaccia elettrodo/soluzione. La corrente di carica. Applicazioni della misurazione della capacità nei sensori chimici.
Applicazioni dei sensori chimici:
a) Applicazioni ambientali per il monitoraggio dell’inquinamento;
b) Applicazioni sanitarie e nel campo biomedico (sensori chimici per la salute);
c) Applicazioni nell'industria automobilistica (controllo della miscela aria-carburante, gas di scarico, qualità dell’aria nell’abitacolo, ecc…), alimentare, nell'agricoltura e nelle biotecnologie.
Parte pratica:
Realizzazione pratica di un sensore resistivo, attraverso preparazione e deposizione di ossidi metallici semiconduttori, e successiva caratterizzazione elettrica con l’utilizzo di scheda circuitale di Arduino.

Testi docente

- Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications Florinel-Gabriel BÄƒnicÄƒ John Wiley & Sons (edition published 2012)
- Materiale didattico distribuito dal docente

Erogazione tradizionale

Sì

Erogazione a distanza

Frequenza obbligatoria

Valutazione prova scritta

Valutazione prova orale

Sì

Valutazione test attitudinale

Valutazione progetto

Valutazione tirocinio

Valutazione in itinere

Prova pratica