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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.
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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?
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Sensori in Industrie 4.0
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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
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Sensori in Industrie 4.0
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Sensori in Industrie 4.0
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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
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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
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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.
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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
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Milli‐Strain
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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)
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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.
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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
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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.
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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)
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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.
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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
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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
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Arm Band CTPE
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Gloves CTPE
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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• ….
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Nano‐Strain
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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
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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]
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MEMS strain sensors con chip packaging a vuoto
ResonatorVacuum encapsulation
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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
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Test Funzionali dei Risuonatori MEMS
Banco di test con cantilever e tastatore micrometrico:
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Test Funzionali dei Risuonatori MEMS
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
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Test Funzionali dei Risuonatori MEMS
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
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Test Funzionali dei Risuonatori MEMS
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
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Test Funzionali dei Risuonatori MEMS
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:
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Test Funzionali dei Risuonatori MEMS
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
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Sensibilità dei Risuonatori MEMS
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Sensibilità dei Risuonatori MEMS
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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
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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
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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.
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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
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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
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Conclusioni
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Grazie per l’attenzione
Sensori basati su Nanomateriali e Dispositivi MEMS per IoT, Smart Manufacturing e HMI