Design and development of new pressure sensors for aerodynamic applications

This artwork reports on two different projects that were carried out during the three years of Doctor of the Philosophy course. In the first years a project regarding Capacitive Pressure Sensors Array for Aerodynamic Applications was developed in the Applied Aerodynamic research team of the Second Faculty of Engineering, University of Bologna, Forlì, Italy, and in collaboration with the ARCES laboratories of the same university. Capacitive pressure sensors were designed and fabricated, investigating theoretically and experimentally the sensor’s mechanical and electrical behaviours by means of finite elements method simulations and by means of wind tunnel tests. During the design phase, the sensor figures of merit are considered and evaluated for specific aerodynamic applications. The aim of this work is the production of low cost MEMS-alternative devices suitable for a sensor network to be implemented in air data system. The last two year was dedicated to a project regarding Wireless Pressure Sensor Network for Nautical Applications. Aim of the developed sensor network is to sense the weak pressure field acting on the sail plan of a full batten sail by means of instrumented battens, providing a real time differential pressure map over the entire sail surface. The wireless sensor network and the sensing unit were designed, fabricated and tested in the faculty laboratories. A static non-linear coupled mechanical-electrostatic simulation, has been developed to predict the pressure versus capacitance static characteristic suitable for the transduction process and to tune the geometry of the transducer to reach the required resolution, sensitivity and time response in the appropriate full scale pressure input A time dependent viscoelastic error model has been inferred and developed by means of experimental data in order to model, predict and reduce the inaccuracy bound due to the viscolelastic phenomena affecting the Mylar® polyester film used for the sensor diaphragm. The development of the two above mentioned subjects are strictly related but presently separately in this artwork.

Sulla ricerca del minimo dei consumi per vetture sportive

La ricerca oggetto di questa tesi, come si evince dal titolo stesso, è volta alla riduzione dei consumi per vetture a forte carattere sportivo ed elevate prestazioni specifiche. In particolare, tutte le attività descritte fanno riferimento ad un ben definito modello di vettura, ovvero la Maserati Quattroporte. Lo scenario all’interno del quale questo lavoro si inquadra, è quello di una forte spinta alla riduzione dei cosiddetti gas serra, ossia dell’anidride carbonica, in linea con quelle che sono le disposizioni dettate dal protocollo di Kyoto. La necessità di ridurre l’immissione in atmosfera di CO2 sta condizionando tutti i settori della società: dal riscaldamento degli edifici privati a quello degli stabilimenti industriali, dalla generazione di energia ai processi produttivi in senso lato. Nell’ambito di questo panorama, chiaramente, sono chiamati ad uno sforzo considerevole i costruttori di automobili, alle quali è imputata una percentuale considerevole dell’anidride carbonica prodotta ogni giorno e riversata nell’atmosfera. Al delicato problema inquinamento ne va aggiunto uno forse ancor più contingente e diretto, legato a ragioni di carattere economico. I combustibili fossili, come tutti sanno, sono una fonte di energia non rinnovabile, la cui disponibilità è legata a giacimenti situati in opportune zone del pianeta e non inesauribili. Per di più, la situazione socio politica che il medio oriente sta affrontando, unita alla crescente domanda da parte di quei paesi in cui il processo di industrializzazione è partito da poco a ritmi vertiginosi, hanno letteralmente fatto lievitare il prezzo del petrolio. A causa di ciò, avere una vettura efficiente in senso lato e, quindi, a ridotti consumi, è a tutti gli effetti un contenuto di prodotto apprezzato dal punto di vista del marketing, anche per i segmenti vettura più alti. Nell’ambito di questa ricerca il problema dei consumi è stato affrontato come una conseguenza del comportamento globale della vettura in termini di efficienza, valutando il miglior compromesso fra le diverse aree funzionali costituenti il veicolo. Una parte consistente del lavoro è stata dedicata alla messa a punto di un modello di calcolo, attraverso il quale eseguire una serie di analisi di sensibilità sull’influenza dei diversi parametri vettura sul consumo complessivo di carburante. Sulla base di tali indicazioni, è stata proposta una modifica dei rapporti del cambio elettro-attuato con lo scopo di ottimizzare il compromesso tra consumi e prestazioni, senza inficiare considerevolmente queste ultime. La soluzione proposta è stata effettivamente realizzata e provata su vettura, dando la possibilità di verificare i risultati ed operare un’approfondita attività di correlazione del modello di calcolo per i consumi. Il beneficio ottenuto in termini di autonomia è stato decisamente significativo con riferimento sia ai cicli di omologazione europei, che a quelli statunitensi. Sono state inoltre analizzate le ripercussioni dal punto di vista delle prestazioni ed anche in questo caso i numerosi dati rilevati hanno permesso di migliorare il livello di correlazione del modello di simulazione per le prestazioni. La vettura con la nuova rapportatura proposta è stata poi confrontata con un prototipo di Maserati Quattroporte avente cambio automatico e convertitore di coppia. Questa ulteriore attività ha permesso di valutare il differente comportamento tra le due soluzioni, sia in termini di consumo istantaneo, che di consumo complessivo rilevato durante le principali missioni su banco a rulli previste dalle normative. L’ultima sezione del lavoro è stata dedicata alla valutazione dell’efficienza energetica del sistema vettura, intesa come resistenza all’avanzamento incontrata durante il moto ad una determinata velocità. Sono state indagate sperimentalmente le curve di “coast down” della Quattroporte e di alcune concorrenti e sono stati proposti degli interventi volti alla riduzione del coefficiente di penetrazione aerodinamica, pur con il vincolo di non alterare lo stile vettura.

Study of silicon-on-insulator multiple-gate MOS structures including band-gap engineering and self heating effects

The progresses of electron devices integration have proceeded for more than 40 years following the well–known Moore’s law, which states that the transistors density on chip doubles every 24 months. This trend has been possible due to the downsizing of the MOSFET dimensions (scaling); however, new issues and new challenges are arising, and the conventional ”bulk” architecture is becoming inadequate in order to face them. In order to overcome the limitations related to conventional structures, the researchers community is preparing different solutions, that need to be assessed. Possible solutions currently under scrutiny are represented by: • devices incorporating materials with properties different from those of silicon, for the channel and the source/drain regions; • new architectures as Silicon–On–Insulator (SOI) transistors: the body thickness of Ultra-Thin-Body SOI devices is a new design parameter, and it permits to keep under control Short–Channel–Effects without adopting high doping level in the channel. Among the solutions proposed in order to overcome the difficulties related to scaling, we can highlight heterojunctions at the channel edge, obtained by adopting for the source/drain regions materials with band–gap different from that of the channel material. This solution allows to increase the injection velocity of the particles travelling from the source into the channel, and therefore increase the performance of the transistor in terms of provided drain current. The first part of this thesis work addresses the use of heterojunctions in SOI transistors: chapter 3 outlines the basics of the heterojunctions theory and the adoption of such approach in older technologies as the heterojunction–bipolar–transistors; moreover the modifications introduced in the Monte Carlo code in order to simulate conduction band discontinuities are described, and the simulations performed on unidimensional simplified structures in order to validate them as well. Chapter 4 presents the results obtained from the Monte Carlo simulations performed on double–gate SOI transistors featuring conduction band offsets between the source and drain regions and the channel. In particular, attention has been focused on the drain current and to internal quantities as inversion charge, potential energy and carrier velocities. Both graded and abrupt discontinuities have been considered. The scaling of devices dimensions and the adoption of innovative architectures have consequences on the power dissipation as well. In SOI technologies the channel is thermally insulated from the underlying substrate by a SiO2 buried–oxide layer; this SiO2 layer features a thermal conductivity that is two orders of magnitude lower than the silicon one, and it impedes the dissipation of the heat generated in the active region. Moreover, the thermal conductivity of thin semiconductor films is much lower than that of silicon bulk, due to phonon confinement and boundary scattering. All these aspects cause severe self–heating effects, that detrimentally impact the carrier mobility and therefore the saturation drive current for high–performance transistors; as a consequence, thermal device design is becoming a fundamental part of integrated circuit engineering. The second part of this thesis discusses the problem of self–heating in SOI transistors. Chapter 5 describes the causes of heat generation and dissipation in SOI devices, and it provides a brief overview on the methods that have been proposed in order to model these phenomena. In order to understand how this problem impacts the performance of different SOI architectures, three–dimensional electro–thermal simulations have been applied to the analysis of SHE in planar single and double–gate SOI transistors as well as FinFET, featuring the same isothermal electrical characteristics. In chapter 6 the same simulation approach is extensively employed to study the impact of SHE on the performance of a FinFET representative of the high–performance transistor of the 45 nm technology node. Its effects on the ON–current, the maximum temperatures reached inside the device and the thermal resistance associated to the device itself, as well as the dependence of SHE on the main geometrical parameters have been analyzed. Furthermore, the consequences on self–heating of technological solutions such as raised S/D extensions regions or reduction of fin height are explored as well. Finally, conclusions are drawn in chapter 7.