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Conferenza del Dipartimento DIITET 26 e 27 maggio 2014

Massimiliano Ruggeri

Sensoristica: Sensori e Dispositivi per IoT e Manufacturing 4.0

Sensori basati su Nanomateriali e Dispositivi MEMS per IoT, Smart Manufacturing e HMI

L. Belsito, L. Maiolo, F. Mancarella, A. Pecora, A. Roncaglia, M. Ruggeri

CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE

Dipartimento di Ingegneria, ICT e Tecnologie per l’Energia e i Traporti (DIITET)

Internet of things e Manufacturing 4.03 Maggio, 2016Consiglio Nazionale delle Ricerche, Aula MarconiPiazzale Aldo Moro, 7 ‐ Roma

Dipartimento di Scienze fisiche e tecnologie della materia (DSFTM)

Internet of things e Manufacturing 4.0 DFSTM -CNR DIITET-CNR

Sensori: Perché?

Perché è importante parlare di sensori e focalizzare le opportunità che da essi derivano.

I sensori inseriti in sistemi reali permettono: • Identificazione del modello parametrico di un sistema,• Controllo automatico, • Ricerca e ottimizzazione di performance, • Monitoraggio, • Diagnostica e prognostica,• Fault detection e Fault recovery,• Sicurezza funzionale.

I sensori giocano un ruolo chiave in ogni processo di automazione e in ogni tipo di sistema controllato.

Dal Sensore deriva l’osservazione e la completa osservabilità è uno dei più importanti «desiderata» nei nuovi progetti di macchine, linee e sistemi.


Perché sia nei documenti programmatici di Industrie 4.0 (Germania) che in quelli della piattaforma Advanced ManufacturingPartnership ‐ AMP (USA) c’è il concetto di

Cyber Physical System (CPS),

ottenuto attraverso la sensorizzazione (Industrial IoT) dell’impianto (e del suo contesto operativo) e la costruzione di un

“modello”

che lo virtualizzi e consenta di monitorarlo, simularne il comportamento da solo o inserito in un sistema più complesso per infine controllarlo in modo automatico verso determinati obiettivi.

Sensori: Perché ora?


Sensori in Industrie 4.0



“Advancements in intelligent electronic sensing, control and communication are enabling new levels of factory automation for greater efficiency and lower operational costs – and ultimately delivering better products to customers.”

Fonte Texas Instruments White paper: “Advancing the smart factory through technology innovation” Settembre 2014


Livello di Digitalizzazione e Successo del Business

Fonte Accenture 2014

Nel grafico sono presenti alcuni dei cardini della economia manifatturiera nazionale e sono tutti ad elevata necessità di digitalizzazioneLa digitalizzazione non può prescindere dalla osservazione dei processi attraverso i sensori


Sensori di Strain

Tra le diverse tipologie di sensori molta innovazione si è avuta nelle tecniche di sensing di strain (deformazione) sostanzialmente meccanico.Mediante lo strain è possibile rilevare, deformazioni, forse in generale e forza peso, sforzi, coppie, potenze…. Tradizionalmente sono eseguiti mediante sonde resistive inventate nel 1938 sensibili alladeformazione e acquisiti mediante stadi di condizionamento a ponte di Wheatstone


Sensori di Strain: Caratteristiche

Ve ne sono di tipologie diverseDefinito lo strain come ε = Δl/l,Il normale campo di misura di deformazione: micro strain.

Vantaggi:• Sono poco costosi (circa 1 – 1,5 euro a sensore per

quantità),• L’elettronica di condizionamento e acqusizione del

segnale è relativamente semplice.

Svantaggi:• Non sono lineari,• Necessitano di calibrazione singola,• Difficoltà di montaggio,• Difficoltà di bonding,• Sensibili alla temperatura,• Presentano isteresi.


Campi di misura di Strain

m‐strainMilli‐strain

µ‐strainMicro‐strain n‐strain

Nano‐strain

I limiti nei precedenti campi di misura (misure di strain maggiori e minori) erano dovuti a costi dei sensori, difficoltà di applicazione per complessità dei movimenti o dellaeterogeneità del materiale, e per limiti tecnologici dei sensori disponibili rispettivamente.Oggi possiamo presentare alcune soluzioni interessanti per ampliare il campo di misura di Strain.

Sensori NanostrutturatiCTPE

Sensori Tradizionali

Sensori MEMS Risonanti

ε = 0,2 ε = 0,001ε = 10‐6 ε = 10‐9


Milli‐Strain


Sensori CTPE per misura di Milli‐Strain (m‐strain)

EstrusoreConductive ThermoPlastic Elastomer (CTPE) blend Si tratta di polimeri termoplastici (es. stirene) caricati con fibre conduttive nanostrutturatecome ad esempio la grafite, e successivamenteestrusi mediante estrusore.

Sono sensori resistivi la cui resistenza dipendesia dalle dimensioni che dalle caratteristichedella mescola utilizzata.

Possono essere creati di forme e dimensioni diverse e incapsulati in altri materiali protettivi (con il vincolo che siano compatibili e più elastici)


Sensori CTPE Processo di Fabbricazione

Per la realizzazione del sensore è necessario un trattamento:− Prima elongazione ad altro strain (Flandin).− Cicli di stabilizzazione allo strain di lavoro.


Acquisizione Sensori CTPE

Sono Sensori resistivi

Acquisizione semplice su partitore e, in base alle performance richieste in termini di real time, con un unico input ADC si possono leggere un gran numero di sensori

‐> elettronica poco costosaANALOG INPUT

+5V

R Polarizzazione

SENSORI CTPE

DI0

DI1

DI2

DI3

DI4 DI5

DI6

DI7

GND

µC


Caratterizzazione dei Sensori CTPE

• Step Motor , New Port ESP 300 (Step 1 μm).

• Picoamperometro HP pA 4140B (range : 0.00110‐12 A ad 1.99910‐2).

Condizioni di misurazione: Misurazioni in corrente, tensione 1V, Frequenza 3Hz,

umidità e temperatura controllate.


Caratterizzazione dei Sensori CTPERitenendo il CTPE il migliore candidato per la realizzazione del sensore sono state effettuate prove di:• Resistenza.• Stimoli ridotti e veloci.

Analisi:• ∆L 100 μm corrisponde al 0,07% di strain.• Si passa da un periodo di 10 s ad un periodo di 312 ms (≈3Hz)


Caratterizzazione dei Sensori CTPE su Applicazione di Misura Deformazione

Proprietà Valore UnitàPressione 110 ‐ 140 kPa

F. Camp. 2 Hz

Range di lettura

2‐3 V

ECU

Applicazione del sensore aUn comune «parabordi perLa nautica, per la verifica diDeformazione su diversiLivelli di gonfiaggio e quindiPressione interna.


Caratterizzazione dei Sensori CTPE su Applicazione di Misura Deformazione

Pressione di gonfiaggio (kpa)

Tensione rilevata ai capi del sensore (V) su partitore resistivo con stadio di polarizzazione

Parabordo (Fender) strumentato con il sensoreIn sezione trasversale e i tubi di gonfiaggio e misura

Sensore CTPE


Sensori CTPE per HMI

Integrazione in tessuti per wearableactive e smart clothes

Armband e Wristband per controllo postura e sensore di forza

Risposta del sensore per due diverse posizioni delle dita: aperto/chiuso


Arm Band CTPE


Gloves CTPE


Campi di Applicazione dei Sensori CTPE

• Smart Clothes• Armband• Wristband• Smart gloves• Volanti strumentati• Interfacce di comando umano• Instrumented Tyre• Sensing di pressione• Biomedicale • Robotica• ….


Nano‐Strain


Risuonatori MEMS: Sensori per la misura di nano‐strain (n‐strain)

anchors

suspended fork

actuationelectrodes

coupling gap

1st Antisymmetric resonance mode

1st Symmetric resonance mode


MEMS Resonators come sensori di Forza

437000 438000

-90

-80

-70

-60

-50

Cal

ibra

ted

Am

plitu

de S

pect

rum

[db]

Frequency [Khz]

No Strain)

Frequency [Hz]

Shift della Frequenza di Risonanza sotto carico

C1

-C2

MEMS Oscillazione automantenutaalla frequenza di risonanza

Oscillatore Strain-dependent

Carico Assiale

437000 438000

-90

-80

-70

-60

-50

Cal

ibra

ted

Ampl

itude

Spe

ctru

m [d

b]

Frequency [Khz]

No Strain 72 strain

[Hz]Frequency [Hz]


MEMS strain sensors con chip packaging a vuoto

ResonatorVacuum encapsulation


Processo di Fabbricazione dei Risunatori MEMS in CNR

1. SOI wafer 2. SiO2 deposition 3. SiO2 etching 4. Gap narrowing

5. Si etching 6. SiO2 deposition 7. SiO2 etching 8. Poly/Si3N4 deposition

9. Poly/Si3N4 etching 10. Gap narrowing 11. Poly/Si3N4/SiO2 etching 12. SiO2 vapour etching

13. Poly deposition 14. Poly etching 15. Al deposition 16. Al etching


Test Funzionali dei Risuonatori MEMS

Banco di test con cantilever e tastatore micrometrico:



0 20 40 60 80 100 120267.95

268

268.05

268.1

268.15

268.2

268.25

268.3

Time [s]

Res

onan

ce fr

eque

ncy

[kH

z] 1.86

2.33

0.93

0.47

1.4

Test di carico (tensile strain) su on-chip vacuum packaged resonator in closed loop:

50 Hz

470 nε



Curva di Calibrazione (tensile/compressive strain) su on-chip vacuumpackaged resonator in closed loop:

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5267.6

267.7

267.8

267.9

268

268.1

268.2

268.3

Strain [ ]

Res

onan

ce fr

eque

ncy

[kH

z] Sensitivity= 120 Hz/

data linear fit



Risoluzione del sensore vs. tempo di acquisizione (con processore a 40 MHz):

10-3

10-2

10-1

10-4

10-3

10-2

10-1

Acquisition time [s]

Stra

in re

solu

tion

[ ]

≈ 150 pε



Sense Electrode

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200308.6238

308.6239

308.624

308.6241

308.6242

308.6243

Time [s]

Res

onan

ce fr

eque

ncy

[kH

z]

Noise floor= ± 0.1 HzStrain resolution= ±0.6 nɛ

Frequency meter digital noise:



10-3

10-2

10-1

10-4

10-3

10-2

10-1

Acquisition time [s]

Stra

in re

solu

tion

limit

[ ]

Metal strain gauge

Resonant sensor

Comparazione con metal strain gauge:

≈ 150 pε


Sensibilità dei Risuonatori MEMS


Campi di Applicazione dei Risuonatori MEMS • Celle di carico,• Smart floor,• bracci strumentati, • Strutture ad elevata rigidezza,• Strumentazione, • biomedicale, • Avionica, • Robotica,• Macchine automatiche,• Macchine CNC,• Tastatori, • Sensori di pressione, • Draft sensors


Il progetto POR‐FESR NANOMEMS‐X

NANOMEMS‐X è un progetto POR‐FESR regionale da 1,2 MLN € con 870.000 € di finanziamento effettivo, vinto dal CNR e che vede coinvolti due Istituti. Gli obiettivi del progetto sono lo studio di soluzioni per il mondo mobile e le macchine da lavoro che riguardino le due tipologie di sensori CTPE e Risuonatori MEMS.

Tra gli obiettivi la creazione di prototipi CTPE • per interfacce uomo‐macchina, • per il sensing di pressione su tubazioni idrauliche in gomma,• Smart Steering Wheel e Smart Seat.MEMS• Per il sensing di pressione in componentistica oleodinamica• Draft Control e • Controllo di forza nei bracci di sollevamento


Progetto FoF ‐ FACTOTHUMS

Lo scopo del progetto FACTOTHUMS è lo sviluppo di soluzioni tecnologiche e modellicomportamentali per la definizione di uno spazio di lavoro cooperativo tra uomo e robot sicuro e dinamico. Questo è ottenuto sia da una ridefinizione sistemistica dei sistemi di controllo, sia da un utilizzo di sensori eterogenei per la cooperatività e il comando deirobot.


Progetto Italia‐Canada

Improving human‐robot cooperation and safety in shared automated workplaces in the automotive industry

Sviluppo di tre tipologie di sensori (Smart Skin, Capacitive Range Estimating Sensors,Directional Infrared Sensors‐DIRS) Da integrare in un nuovo sistema che monitori inmodo sicuro le posizioni relative uomo‐robot prima che essi arrivino a contatto in unalinea produttiva realmente priva di barriere (fenceless manufacturing line)

Figure 1: tipici scenari in ambiente di lavoro fenceless. (a) Worker lontano dal robot. (b) Worker vicino al robot. (c) Worker e robot interagenti


Progetto FoF AWESOME

Proposal full title: Advanced and WEarable SOlutions for human Machine interaction with Enhanced capabilities (AWESOME)

Obiettivi del progetto:Progetto e assembleggio della armbandProgetto e realizzazione prototipale della elettronica e del sistema di comunicazionewirelessApplicazione e controllo su braccio robotico


Conclusioni


Grazie per l’attenzione

Sensori basati su Nanomateriali e Dispositivi MEMS per IoT, Smart Manufacturing e HMI

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