Il prodotto proposto è un dispositivo miniaturizzato in grado di misurare la pressione in maniera estremamente precisa e affidabile. Concettualmente sono condensatori a facce piane e parallele, la cui capacità è funzione non lineare con la pressione. Possono essere impiegati in tutte quelle applicazioni che richiedano un monitoraggio di questo parametro, come per esempio le stazioni atmosferiche, gli aerei, alcuni tipi di macchine industriali, ma anche in molte altre. Il sensore proposto è stato progettato e fabbricato presso l’Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (IMM) del CNR dell’Area di Bologna.
Micro sensori di pressione di tipo capacitivo
I micro sensori di tipo capacitivo proposti sono sensori di pressione assoluta, ovvero dispositivi in grado di misurare la pressione rispetto al vuoto. Il principio di trasduzione di tipo capacitivo permette di trasformare una variazione di pressione in una variazione di capacità elettrica. Ciò è reso possibile grazie ad una struttura a piatti piani paralleli, in cui un elettrodo è rigido, mentre l’altro è una membrana che può essere deflessa da una variazione di pressione, cambiando la distanza tra gli elettrodi e di conseguenza la capacità del dispositivo. Le membrane sono le più semplici strutture meccaniche adatte per essere usate come elementi sensibili di un sensore di pressione e per tale motivo sono ampiamente usate sia nella tecnologia tradizionale sia in quella MEMS. Il sensore, di dimensione 2 x 1 mm2, è costituito da 6 capacità poste in parallelo. Sono state scelte due geometrie (circolare e quadrata) e differenti possibili dimensioni della membrana (da 400 µm fino a 800 µm) al fine di scegliere, in fase di caratterizzazione, i dispositivi con le prestazioni più adeguate alle specifiche delle particolari applicazioni. La particolare architettura del sensore permette di fabbricare dispositivi per differenti range di pressione e capacità a riposo. Nella caso presentato i sensori sono stati progettati per il range di pressione 50 – 1500 mBar con una capacità statica di 40 pF.
La trasduzione di tipo capacitivo è in grado di offrire risoluzioni molto elevate rispetto a quelle raggiungibili con la trasduzione di tipo piezoresistivo, la più largamente usata nell’ambito dei sensori di pressione. Le ridotte dimensioni del dispositivo permettono una facile integrazione del sensore in sistemi dove è richiesto il minimo ingombro.
Le possibili applicazioni di un sensore di pressione miniaturizzato sono molteplici, dalla strumentazione per il monitoraggio climatico alla strumentazione per aeroplani, alle macchine industriali, al sensing di altitudine, di flusso, di perdite di gas, solo per citare le più importanti.
Immagine di un chip contenete 12 sensori di pressione con geometria quadrata e circolare, costituiti ciascuno da 6 membrane.
Catetere per indagini medico-endoscopiche dotato di punti misura per la pressione
I sensori di pressione capacitivi sono stati impiegati per realizzare un prototipo di strumento per indagini mediche, nel contesto di una collaborazione con un’azienda che opera nel settore degli strumenti sanitari. Trattasi di un catetere per indagini di tipo gastroesofagee, dotato di punti di misura per la pressione disposti regolarmente lungo il catetere. Attraverso un opportuno design dell’elettronica in cui i sensori vanno inseriti è possibile “interrogare” uno specifico punto di misura, ed ottenere dal catetere una “mappatura” della pressione relativamente a tutta la zona esplorata (trachea/esofago). La tecnologia sviluppata in questo contesto permette quindi di ottenere informazioni ad un livello di dettaglio estremamente elevato, altrimenti non disponibile, su parametri importanti nella meccanica respiratoria e di rilevanza clinica. Le misure elettriche dei sensori, hanno mostrato una buona sensibilità e stabilità nel tempo. Nello specifico la sensitività media è pari a 8.3 pF/bar ed una risoluzione media in pressione limite di 0.254 mBar nel range 200 – 1200 mBar. E’ stata dimostrata la fattibilità della funzione applicativa specifica nel prototipo di catetere per indagini gastroesofagee.
MEDICA S.p.A.
Questo tipo di sensore di pressione è particolarmente adatto ad essere implementato in un layout di ridotte dimensioni. La precisione raggiungibile dai sensori di pressione capacitivi è estremamente elevata, rendendo questi dispositivi indicati per misure di pressione di tipo locale, dove le variazioni in punti fisicamente vicini fra loro possono essere molto piccole.
Core del prototipo di catetere per indagini gastroesofagee.