Sensori multifunzionali e dispositivi elettronici (DFM.AD001)

Project area

Department

Physical sciences and technologies of matter

The quality

Il settore dei Sensori e dei Dispositivi Elettronici (SDE), basati su approcci nanotecnologici bottom-up (self assembling, ingegneria molecolare, polimeri e biomolecole) e top-down (tecniche litografiche ad elevata risoluzione applicate a materiali semiconduttori), risulta negli ultimi anni in crescente espansione. Infatti, i SDE sono componenti abilitanti per una vasta gamma di applicazioni, come ad esempio: l'ambient assisted living, la domotica, la sicurezza, l'ambiente, la salute e l'agroalimentare, la mobilità. Di fatto gli obiettivi programmatici di Horizon 2020, definiti nel Work Program 2014-2015 e ribaditi in quello 2016-2017, e di ECSEL JU hanno come priorità quella di promuovere la leadership industriale investendo in tecnologie chiave relative ai settori Energy, Biotechnology e ICT. In questo contesto, lo sviluppo di sistemi elettronici, di microsistemi e di sistemi embedded è alla base dell'innovazione e della creazione di valore aggiunto per la società e l'economia. Allo stesso modo la possibilità di interfacciare biotecnologie con nanotecnologie e tecnologie dell'area ICT apre nuovi scenari applicativi per il sensing e la diagnostica. Componenti e dispositivi sempre più efficienti dal punto di vista energetico sono alla base del raggiungimento degli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra previsti per i prossimi decenni.

Goals

Obiettivo generale dell'Area Progettuale SDE è quello di sviluppare sensori e dispositivi elettronici con prestazioni e funzionalità avanzate, utilizzando materiali funzionali e approcci tecnologici innovativi. Per i sensori gli obiettivi saranno quelli di ottenere alta sensitività e selettività verso molecole biologiche e contaminanti chimici e fisici, per applicazioni in campo biomedico e agroalimentare; di raggiungere elevati livelli di integrazione, anche su substrati flessibili e in sistemi portatili, con applicazioni in ambito di sicurezza, trasporto e ambient assisted living; sensori e microsistemi intelligenti, basati su materiali nanostrutturati e processi nanotecnologici, per applicazioni nei settori della biologia, della medicina; dispositivi per rivelatori di particelle basati su SiC e diamante CVD; sensori in fibra ottica per applicazioni ambientali, bio-chimiche, e per la rivelazione di radiazioni ionizzanti; dispositivi superconduttori a interferenza quantistica ad elevata sensitività, su micro e nanoscala. Relativamente ai dispositivi elettronici gli obiettivi sono quelli di sviluppare: processi per la realizzazione di dispositivi di potenza basati su materiali di larga gap (SiC e GaN) e per dispositivi per alte frequenze; MEMS e NEMS per sensori (strain) ed applicazioni RF (RF-MEMS switches per l'indirizzamento del segnale, logiche, matrici e phase shifter); dispositivi nanoelettronici (single electron transistor) e magnetoelettronici con funzionalità logiche e di quantum information processing a basso consumo energetico e ad alta densità di integrazione; memorie a cambiamento di fase e di tipo memristive per sistemi neuromorfici avanzati; componenti elettronici e sensori su substrati flessibili (plastica) per l'integrazione di funzioni e array di sensori in sistemi nomadici; sistemi elettronici di conversione dell'energia da sorgenti ad alta temperatura e solare a concentrazione.

Outline of research in an international context

La micro e nanoelettronica, i microsistemi e i sensori rappresentano uno dei settori trainanti, a livello internazionale, per lo sviluppo economico e della società. In particolare, l'Europa detiene una forte posizione in questo settore ed ha lanciato una serie di iniziative nell'ambito dei programmi Horizon 2020 e Ecsel volte al suo rafforzamento con iniziative mirate. I programmi nell'ambito dell'ICT in H2020 prevedono, in questo contesto: i) l'integrazione di sistemi intelligenti, in cui l'integrazione di sensori, attuatori, MEMS, power management, elaborazione del segnale e interconnessione wireless, consentono lo sviluppo di nuove applicazioni nel campo, ad esempio, dei sistemi micro-nano bio, optofluidica, microfluidica, micro e nanoelettromeccanica, biochimica; ii) l'elettronica organica di larga area, per applicazioni soprattutto nel campo dell'elettronica flessibile e con la sfida di incrementare le funzionalità dei sistemi attraverso l'integrazione ibrida di ICs in Si; iii) sistemi di elementi computazionali interagenti in grado di controllare grandezze fisiche (Cyber-Physical System, CPS) quali, ad esempio, sistemi distribuiti di sensori interconnessi (Internet-of-Things, IoT) ed i sistemi robotici, in grado di aumentare l'adattabilità, l'autonomia, le funzionalità, l'affidabilità e la sicurezza dei sistemi. Attraverso i programmi ECSEL JU la Comunità Europea supporta lo sviluppo di Componenti e Sistemi Elettronici, che rappresentano una Key Enabling Technology (KET) pervasiva e con impatto in molti settori industriali. In questo contesto, lo sviluppo di tecnologie CMOS avanzate (More Moore), eterogenee e basate su nuovi materiali funzionali (More than Moore) e System in Package, includendo l'elettronica di potenza, i dispositivi basati su semiconduttori III-V, sistemi di sensori, rappresentano le tecnologie alla base delle applicazioni nei campi della smart mobility (veicoli elettrici), smart society , smart energy, smart health e smart production.

Outline of research in a national context

Il settore dei Sensori e Dispositivi Elettronici (SDE) è una delle aree di maggiore vitalità del sistema della ricerca nazionale, con moltissime Università, Enti Pubblici di Ricerca e Aziende coinvolti in molti programmi, sia nazionali che Europei. Ciò è anche giustificato dalla presenza sul territorio nazionale di un vasto panorama di grandi aziende operanti nel settore, sia italiane (Finmeccanica, Alenia Aermacchi, Selex Sistemi Integrati, Compagnia Generale per lo Spazio, Technology System Development, Epitaxial Technology Center, 3SUN, TOZZI Holding, Ansaldo Energia, Somacis SpA, Compel, ecc.) che multinazionali (STMicroelectronics, Micron, LFoundry, FOS-Prysmian, Alcatel Lucent, ecc.). Inoltre, esiste una ampia gamma di piccole e medie imprese (PMI) coinvolte in settori emergenti, come il biomedicale, l'aero-spazio, la robotica, l'energetica, che sono direttamente coinvolte nello sviluppo di sensori e dispositivi elettronici anche attraverso consorzi, iniziative pubblico-privato ed i Distretti Tecnologici. Il settore dei Sensori e Dispositivi Elettronici è supportato da diversi programmi nazionali e tra questi vanno menzionati i Progetti finanziati dal MIUR (FAR, FIRB, FIRST, PRIN), i Progetti Premiali, i progetti Regionali ed i progetti del Programma Operativo Nazionale (PON), i grandi progetti R&S finanziati dal MISE.

Positioning of Cnr

Il DSFTM si pone come punto di riferimento ed è leader in programmi ed iniziative di rilevanza nazionale ed internazionale su campi (elettronica di potenza, memorie, nanoelettronica, ambient assisted living, ICT, diagnostica medica, ecc.) ove trovano applicazione sistemi micro- e nano strutturati (MEMS, NEMS) per l'elaborazione digitale di informazioni, sensing avanzato, biosensori, sensori in fibra ottica, sensori magnetici, sensoristica con materiali organici, optofluidica e metodi di imaging per la diagnositica su Lab-on-Chip, ecc. Partendo da una ricca conoscenza di base si arriva a sviluppare sensori e dispositivi elettronici idonei per livello di prestazione ed efficacia, economici, in grado di rilevare e trasmettere in tempi ragionevoli e con una buona sicurezza i dati sensibili. Rilevante è l'esistenza all'interno del DFSTM di importanti infrastrutture di processo e pilot-line di supporto con applicazioni specifiche in settori ad elevato impatto socio-economico. In generale, le attività scientifiche sono concepite in modo da ridurre i tempi di trasferimento dalla ricerca alle applicazioni di mercato.

The main activities performed

Le attività che il DSFTM ha sviluppato in questo vasto settore riguardano, a titolo di esempio: l'elettronica ad alta efficienza energetica (dispositivi per la gestione della potenza e la trasmissione ad altissima frequenza basati su semiconduttori ad ampia banda proibita); dispositivi con funzionalità di logica e memoria a basso consumo basati su materiali calcolgenuri e ossidi di metalli di transizione; lo sviluppo di sistemi di computazione avanzata oltre il CMOS; l'elettronica flessibile (sistemi elettronici intelligenti e autonomi su substrati plastici di tipo "usa e getta", array di microelettrodi per neurofisiologia); dispositivi per nanoelettronica basati su semiconduttori 2D; dispositivi per la conversione di energia da sorgenti ad alta temperatura; la sensoristica dedicata al monitoraggio ambientale, ai settori sicurezza ed agroalimentare; sistemi di sensing termo-meccanico ed inerziale, basati su strutture interferometriche in fibra ottica; sensori meccanici di strain, basati su strutture MEMS, e di pressione, basati su materiali piezoelettrici; la biosensoristica (biosensori ottici, piroelettrici, piezoelettrici, elettro-chimici, sensori superidrofobici nano elettromeccanici, nanostrutture top-down o autoaggregate tramite tecniche di self-assembling di DNA per per la manipolazione nonlineare di risonanze plasmoniche, lab-on-a-chip); strutture spin-valve per la sensoristica magnetoresistiva; SQUID per la sensoristica magnetica avanzata dedicata alle applicazioni ad alta sensibilità ed esperimenti di fisica di base. Nel campo biomedicale sono stati sviluppati nanosensori e sistemi biosensoristici e di imaging per lo studio dei sistemi biologici e per la realizzazione di sistemi non invasivi ad alta sensiblità e selettività per biomarker per applicazioni nel settore biomedicale, quali nel settore delle blood-disease, oncologici e di malattie neurodegenerative nonché per la ricerca, sperimentazione e validazione di nuovi farmaci e nuove terapie.

The planned activities

L'Area Progettuale SDE prevede una forte interazione tra le strutture CNR coinvolte e l'Industria in linea con gli obiettivi generali di Horizon 2020. Le attività previste nell'ambito dell'Area Progettuale sono:
i) processi per la realizzazione di dispositivi di potenza basati su materiali di larga gap e per dispositivi per alte frequenze; ii) MEMS e NEMS per sensori ed applicazioni RF; iii) dispositivi nanoelettronici e magnetoelettronici con funzionalità logiche e di quantum information processing; iv) memorie a cambiamento di fase e di tipo memristive per sistemi neuromorfici avanzati; v) componenti elettronici e sensori su substrati flessibili per l'integrazione di funzioni e array di sensori in sistemi nomadici; vi) sensori e microsistemi intelligenti, realizzati mediante processi nanotecnologici e tecnologie di fabbricazione diretta (ink-jet printing, 3D printing), per applicazioni nei settori della sicurezza, dell'agroalimentare, dei trasporti, della biologia, della medicina e dell'ambient assisted living; vii) biosensori altamente selettivi basati su materiali nanostrutturati e sull'amplificazione plasmonica, biosensori luminescenti organici e proteici; viii) dispositivi per rivelatori di particelle basati su SiC e diamante CVD; ix) sensori in fibra ottica per applicazioni ambientali, bio-chimiche, e per la rivelazione di radiazioni ionizzanti; x) micro- e nanosensori avanzati basati su dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica (SQUID); xi) Nano dispositivi molecolari per implementazioni di reti logiche Booleane; xii) dispositivi basati su materiali 2D per nanoelettronica, elettronica flessibile e sensori; xiii) interfacce superconduttori/materiali magnetici per rivelatori a singolo fotone; xiv) dispositivi e sensori basati su materiali ferroelettrici; xv) sistemi di imaging per diagnostica biomedicale per lab-on-chip; xvi) dispositivi elettronici per la conversione di energia da sorgenti ad alta temperatura.

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Keywords

Nanoelettronica, memorie, sensori chimici, fisici e meccanici, microsistemi, dispositivi di potenza,, elettronica flessibile, dispositivi per alte frequenze, biosensori, optofluidica, 3D printing, ink-jet printing,, dispositivi elettronici per la conversione di energia ad alta temperatura, imaging ottico, diagnostica molecolare

Projects

Last update: 18/05/2024