Analisi sperimentale di un sistema per il posizionamento e la movimentazione di sensori in galleria del vento, con applicazione al "long-pipe" in CICLoPE

Analisi di un sistema per il posizionamento e la movimentazione di sensori in galleria del vento. In particolare l’analisi è stata focalizzata sul sistema di movimentazione sonde (traversing) presente nel long-pipe in CICLoPE (Center for International Cooperation in Long Pipe Experiments). La struttura menzionata nasce per far fronte ad alcuni dei limiti presenti negli attuali laboratori fluidodinamici per lo studio della turbolenza ad alti numeri di Reynolds. Uno degli obiettivi del centro è quello di caratterizzare le più piccole strutture caratteristiche della turbolenza. Al fine di permettere tale studio era necessario migliorare il traversing esistente per ottenere movimenti ad alta precisione, in modo da raggiungere lo stesso ordine di grandezza delle scale più piccole della turbolenza. Il miglioramento di tale strumentazione è stato necessario anche per fornire un valido supporto alle metodologie esistenti per la determinazione della distanza tra sonde e parete, che resta una delle difficoltà nello studio della turbolenza di parete. L’analisi del traversing, svolta attraverso più test, ha fatto emergere problemi sia nella struttura del sistema, sia nel software che gestisce il motore per la movimentazione. La riprogrammazione del software e la rettifica di alcuni componenti del sistema hanno permesso di eliminare gli errori emersi. Le piccole imprecisioni restanti durante la movimentazione, non eliminabili con un’implementazione software, verranno totalmente superate grazie all’impiego del nuovo motore dotato di un encoder rotativo che sarà in grado di retroazionare il sistema, fornendo il reale spostamento effettuato.

Fotoconduttori organici come rivelatori di raggi X

Rispetto alle loro controparti inorganiche, i semiconduttori organici presentano proprietà che consentono di usarli in modi fino a qualche anno fa impensabili: sono facili ed economici da depositare, flessibili, leggeri e robusti. Queste caratteristiche li rendono tra le altre cose ottimi candidati come rilevatori a stato solido di raggi X che possono persino essere comodamente indossati o utilizzati in situazioni e luoghi prima inaccessibili a quelli inorganici. I semiconduttori organici sono tuttavia fondamentalmente diversi da quelli inorganici e i fenomeni che regolano il trasporto e la generazione di cariche sono più complessi e non ancora compiutamente compresi. Allo scopo di migliorare la loro comprensione, questa tesi mette a confronto alcuni modelli teorici di generazione e ricombinazione di eccitoni, così da individuare quello più rispondente alle misure sperimentali effettuate relativamente alla risposta fotoconduttiva di cristalli singoli di TIPS-pentacene irradiati con raggi X.

Valutazione della coordinazione motoria negli adolescenti: Analisi quantitativa mediante sensori inerziali

Introduzione: Le capacità coordinative possono essere dedotte dalle performance del movimento e possono subire un momentaneo peggioramento in seguito ad una rapida crescita in soggetti adolescenti. Attualmente la valutazione dei test motori è di tipo qualitativo o semi-quantitativo. Obiettivi: Somministrazione di test di valutazione della coordinazione motoria a soggetti adolescenti, in versione strumentata mediante sensori inerziali ed estrazione di parametri quantitativi. Valutazione della sensibilità di tali parametri ai gruppi di performance e variazione degli stessi in seguito ad uno scatto di crescita. Metodi: Ragazzi e ragazze di primo liceo (età media 15 anni) hanno indossato tre IMUs, posizionate sul tronco e attorno alle caviglie, ed hanno eseguito tre test per la valutazione della coordinazione motoria: il test della cicogna cieca, il test dell’accovacciamento, e una prova di tandem gait. Cinque mesi dopo i ragazzi cresciuti hanno ripetuto la prova di tandem gait. Risultati: I parametri scelti sono risultati sensibili alle differenze tra i gruppi di performance per due delle tre prove proposte (il test della cicogna e l’accovacciamento). Per la prova di tandem gait non sono state riscontrate differenze significative nei valori dei parametri. Conclusione: Dai risultati preliminari è emerso come i sensori inerziali possano essere utili nel guidare l’osservatore verso una valutazione oggettiva dei test motori, in particolare grazie al sensore posizionato sul tronco. Si ritiene necessario condurre prove ulteriori per standardizzare e migliorare i metodi proposti. Per la prova di tandem gait, per la quale non sono stati ottenuti risultati significativi, si suggerisce di continuare a seguire i ragazzi nella crescita, ed eventualmente aggiungere un task cognitivo alla prova.

Studio della cinematica del nuoto a stile libero attraverso sensori inerziali

Analisi cinematica delle fasi del nuoto, velocità in vasca e body roll attraverso l'uso di sensori inerziali. Implementazione di innovativi algoritmi di calcolo con l'utilizzo del filtro di Kalman 3D, matrici di rotazione e quaternioni per la determinazione dei parametri fondamentali del nuoto e della posizione del polso nel sistema di riferimento di torace. Confronto dei risultati ottenuti mediante i diversi algoritmi e loro validazione con quelli ottenuti con l'uso della stereofotogrammetria. Gli algoritmi possono essere generalizzati ad altri gesti motori.

Caratterizzazione e testing di Sensori Hall Commerciali

Questa Tesi di Laurea si prefigge gli obiettivi di riuscire a caratterizzare i Sensori Hall e di testare un Sensore Hall di Asahi-Kasei, il CQ-3300, di cui l’Università di Bologna è in possesso. Per questa ragione si può dividere il processo di realizzazione della tesi in 2 fasi ben distinte: • Una prima fase dedicata interamente allo studio dell’argomento e alla ricerca online di Sensori Hall presenti sul mercato. Si è dunque approfondito il fenomeno fisico su cui essi basano il proprio funzionamento, le loro caratteristiche principali e le loro applicazioni. Se ne sono poi scelti due, oltre al CQ-3300, tra quelli presenti sul mercato per poterli caratterizzare e confrontare con il suddetto. • Una seconda fase dedicata ai test sul Sensore nel laboratorio di elettronica. Durante questa fase è stato montato su PCB (Printed Circuit Board) il sensore Hall CQ-3300 e sono stati realizzati dei circuiti di prova con lo scopo di verificare il corretto funzionamento del Sensore e l’effettiva banda di funzionamento. I tests in corrente alternata sono stati effettuati grazie all’ausilio di un generatore di corrente in grado di convertire un segnale in tensione in un segnale in corrente. Questo generatore di corrente però non può erogare un segnale in corrente di ampiezza maggiore a 1 Ampere, ragione per cui si è preferito tenersi alla larga da tale valore. L’Università di Bologna ritiene necessario testare questo sensore in termini di banda, in quanto ha progettato un Sensore Hall dalle caratteristiche simili in termini di banda di lavoro al componente in questione, il che rende importante capire se quest’ultimo tiene fede alla banda di lavoro che viene indicata sul suo datasheet, ovvero 1 MHz.

Coatings ibridi organici-inorganici ottenuti mediante processo sol-gel e contenenti assorbitori di radiazioni uv

In questo progetto di tesi si è cercato il modo di rendere più efficace la resistenza dei materiali plastici alla fotodegradazione indotta dai raggi ultravioletti, attraverso l’utilizzo di coatings ibridi organici-inorganici preparati utilizzando il processo sol-gel. Tali rivestimenti in grado di migliorare la resistenza superficiale potrebbero essere applicati a diversi materiali ed in particolare ai policarbonati che per le loro eccellenti proprietà di trasparenza vengono molto utilizzati in illuminotecnica ed altre applicazioni per l’esterno. In particolare il lavoro ha riguardato lo studio e l’utilizzo di due assorbitori UV di tipo fenolico, il 2,2’-diidrossi-4-metossibenzofenone e il 2,2’,4,4’-tetraidrossibenzofenone. Si è provato a non collocare semplicemente tali assorbitori all’interno del coating sol-gel ma a legarli covalentemente al network tridimensionale di silani auspicando una migliore resistenza alla fotodegradazione UV-indotta. Il nostro interesse si è concentrato soprattutto sul 2,2’,4,4’-tetraidrossibenzofenone, in quanto abbiamo visto che una sua funzionalizzazione rispetto all’altro assorbitore UV risulta più semplice ed efficace.

Caratterizzazione di sistemi di misura di corrente basati su sensori a Effetto Hall

Elaborato di tesi con lo scopo principale di creare una scheda di test migliorata per la caratterizzazione di sistemi di misura di corrente su sensori a Effetto Hall.

Cinematica della corsa con stampelle tramite sensori inerziali: Analisi di soggetti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati

L’analisi del movimento umano mira alla raccolta di informazioni quantitative riguardo la meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un compito motorio. All’interno di questo contesto, la cinematica del passo rappresenta uno strumento d’indagine tra i più usati. Tra i diversi protocolli di analisi cinematiche si è affermato recentemente l’uso di sensori magnetico-inerziali. Il principale vantaggio di questi dispositivi rispetto alla tecnica tradizionalmente impiegata (la stereofotogrammetria) è che possono essere utilizzati al di fuori di un ambiente di laboratorio, rendendo meno vincolante la scelta del task motorio da analizzare. Lo stato dell’arte offre una molteplicità di studi basati sull’analisi del cammino e della corsa di atleti, professionisti o dilettanti, utilizzando sensori inerziali; nulla, però, è stato dedicato alla corsa con stampelle. In questo lavoro di tesi è stata dunque analizzata la corsa su stampelle di soggetti amputati (in particolare di atleti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati). Dalla letteratura sono stati individuati tre metodi, ideati principalmente per la corsa di soggetti normodotati e in questa situazione riadattati per la corsa di soggetti con amputazione/malformazione di un arto inferiore, con i quali è stato possibile ricavare parametri temporali relativi al ciclo del passo; è stato inoltre progettato un nuovo metodo che permette di ricavare parametri temporali della corsa attraverso le fasi delle stampelle. L’elemento che contraddistingue questo studio è la presenza di un gold standard, dato da un riferimento video, con il quale sarà possibile determinare con più affidabilità quale metodo risulti più adeguato per l’analisi di questo tipo di corsa.

Analisi cinematica dello sci di fondo tramite sensori inerziali

Lo studio di questa tesi è stato incentrato sull'analisi della disciplina sportiva dello sci di fondo, in alcune sue tecniche. L'indagine è stata realizzata con l'ausilio di sensori inerziali e di telecamere per l'analisi video. L'attenzione è stata focalizzata sull'analisi delle articolazioni degli arti inferiori per la stima di parametri utili per sviluppi futuri.

Sviluppo e sperimentazione di sensori per il monitoraggio della qualità dell'aria

Individuare e conoscere la natura degli inquinanti atmosferici e disporre dei dati delle emissioni sono azioni fondamentali per formulare politiche ambientali incentrate sul miglioramento della qualità dell'aria e monitorarne l'efficacia. Sorge l'esigenza di un controllo costante della qualità dell'aria, processo che avviene utilizzando delle centraline di monitoraggio fisse sparse nelle vie delle maggiori città o nei pressi dei principali insediamenti industriali. Lo scopo di questo progetto è quello di realizzare una stazione di monitoraggio mobile al fine di aumentare la superficie di controllo, realizzando un oggetto dinamico capace di acquisire dati sull'inquinamento. Questo è stato fatto applicando ad un drone un sistema di sensori capaci di rilevare le variazioni dei livelli di concentrazione degli agenti inquinanti. Ciò permette di eliminare le stazioni di monitoraggio fisse, le quali rappresentano una spesa ingente. Inoltre, attraverso l'utilizzo di un drone, è possibile monitorare siti più vasti, permettendo un monitoraggio costante e ripetuto nel tempo. La prima parte dell'elaborato analizza il sistema Embedded utilizzato per l'acquisizione dei dati, concentrando l'attenzione prevalentemente sui moduli utilizzati. La seconda descrive quali sono i primi passi per cominciare ad utilizzare i sensori posti sulla Gases Board 2.0 e risponde ai dubbi più comuni su quali parametri di configurazione adottare per un avere una risposta adeguata, quale processo di calibrazione seguire o come trasformare i dati acquisiti, espressi in tensioni, in valori di concentrazione di gas. La terza parte illustra i test effettuati per verificare il corretto funzionamento del sistema completo, con l’esposizione delle problematiche individuate, e una presentazione delle alternative più valide per superarle.

Confronto tra Bluetooth classic e Bluetooth low energy nelle comunicazioni tra sensori inerziali e dispositivi mobili in applicazioni biomeccaniche in ambito medico e sportivo

In questo elaborato sono stati confrontati i moduli bluetooth WT11, BLE113 , BT121 rispetto alle loro caratteristiche di banda, consumo, range e utilizzabilita in un contesto applicativo stringente come quello degli utilizzi biomeccanici. Si sono prima elencati i settori di riferimento, per poi descrivere il contesto applicativo in ambito medico e sportivo. Il confronto finale ha tenuto conto delle modalita di comunicazione bluetooth classic e bluetooth low energy, cercando di motivare quale modulo risulti migliore per questo particolare e innovativo contesto.

Immobilizing bacteriorhodopsin on a single electron transistor

As awareness of potential human and environmental impacts from toxins has increased, so has the development of innovative sensors. Bacteriorhodopsin (bR) is a light activated proton pump contained in the purple membrane (PM) of the bacteria Halobacterium salinarum. Bacteriorhodopsin is a robust protein which can function in both wet and dry states and can withstand extreme environmental conditions. A single electron transistor(SET) is a nano-scale device that exploits the quantum mechanical properties of electrons to switch on and off. SETs have tremendous potential in practical applications due to their size, ultra low power requirements, and electrometer-like sensitivity. The main goal of this research was to create a bionanohybrid device by integrating bR with a SET device. This was achieved by a multidisciplinary approach. The SET devices were created by a combination of sputtering, photolithography, and focused ion beam machining. The bionanomaterial bacteriorhodopsin was created through oxidative fermentation and a series of transmembrane purification processes. The bR was then integrated with the SET by electrophoretic deposition, creating a bionanohybrid device. The bionanohybrid device was then characterized using a semiconductor parametric analyzer. Characterization demonstrated that the bR modulated the operational characteristics of the SET when bR was activated with light within its absorbance spectrum. To effectively integrate bacteriorhodopsin with microelectromechanical systems (MEMS) and nanoelectromechanical systems (NEMS), it is critical to know the electrical properties of the material and to understand how it will affect the functionality of the device. Tests were performed on dried films of bR to determine if there is a relationship between inductance, capacitance, and resistance (LCR) measurements and orientation, light-on/off, frequency, and time. The results indicated that the LCR measurements of the bR depended on the thickness and area of the film, but not on the orientation, as with other biological materials such as muscle. However, there was a transient LCR response for both oriented and unoriented bR which depended on light intensity. From the impedance measurements an empirical model was suggested for the bionanohybrid device. The empirical model is based on the dominant electrical characteristics of the bR which were the parallel capacitance and resistance. The empirical model suggests that it is possible to integrate bR with a SET without influencing its functional characteristics.

Integration of room temperature single electron transistor with CMOS subsystem

The single electron transistor (SET) is a charge-based device that may complement the dominant metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) technology. As the cost of scaling MOSFET to smaller dimensions are rising and the the basic functionality of MOSFET is encountering numerous challenges at dimensions smaller than 10nm, the SET has shown the potential to become the next generation device which operates based on the tunneling of electrons. Since the electron transfer mechanism of a SET device is based on the non-dissipative electron tunneling effect, the power consumption of a SET device is extremely low, estimated to be on the order of 10^-18J. The objectives of this research are to demonstrate technologies that would enable the mass produce of SET devices that are operational at room temperature and to integrate these devices on top of an active complementary-MOSFET (CMOS) substrate. To achieve these goals, two fabrication techniques are considered in this work. The Focus Ion Beam (FIB) technique is used to fabricate the islands and the tunnel junctions of the SET device. A Ultra-Violet (UV) light based Nano-Imprint Lithography (NIL) call Step-and-Flash- Imprint Lithography (SFIL) is used to fabricate the interconnections of the SET devices. Combining these two techniques, a full array of SET devices are fabricated on a planar substrate. Test and characterization of the SET devices has shown consistent Coulomb blockade effect, an important single electron characteristic. To realize a room temperature operational SET device that function as a logic device to work along CMOS, it is important to know the device behavior at different temperatures. Based on the theory developed for a single island SET device, a thermal analysis is carried out on the multi-island SET device and the observation of changes in Coulomb blockade effect is presented. The results show that the multi-island SET device operation highly depends on temperature. The important parameters that determine the SET operation is the effective capacitance Ceff and tunneling resistance Rt . These two parameters lead to the tunneling rate of an electron in the SET device, Γ. To obtain an accurate model for SET operation, the effects of the deviation in dimensions, the trap states in the insulation, and the background charge effect have to be taken into consideration. The theoretical and experimental evidence for these non-ideal effects are presented in this work.

Development of room temperature operating single electron transistor using FIB etching and deposition technology

The single-electron transistor (SET) is one of the best candidates for future nano electronic circuits because of its ultralow power consumption, small size and unique functionality. SET devices operate on the principle of Coulomb blockade, which is more prominent at dimensions of a few nano meters. Typically, the SET device consists of two capacitively coupled ultra-small tunnel junctions with a nano island between them. In order to observe the Coulomb blockade effects in a SET device the charging energy of the device has to be greater that the thermal energy. This condition limits the operation of most of the existing SET devices to cryogenic temperatures. Room temperature operation of SET devices requires sub-10nm nano-islands due to the inverse dependence of charging energy on the radius of the conducting nano-island. Fabrication of sub-10nm structures using lithography processes is still a technological challenge. In the present investigation, Focused Ion Beam based etch and deposition technology is used to fabricate single electron transistors devices operating at room temperature. The SET device incorporates an array of tungsten nano-islands with an average diameter of 8nm. The fabricated devices are characterized at room temperature and clear Coulomb blockade and Coulomb oscillations are observed. An improvement in the resolution limitation of the FIB etching process is demonstrated by optimizing the thickness of the active layer. SET devices with structural and topological variation are developed to explore their impact on the behavior of the device. The threshold voltage of the device was minimized to ~500mV by minimizing the source-drain gap of the device to 17nm. Vertical source and drain terminals are fabricated to realize single-dot based SET device. A unique process flow is developed to fabricate Si dot based SET devices for better gate controllability in the device characteristic. The device vi parameters of the fabricated devices are extracted by using a conductance model. Finally, characteristic of these devices are validated with the simulated data from theoretical modeling.

Learning flexible sensori-motor mappings in a complex network

Given the complex structure of the brain, how can synaptic plasticity explain the learning and forgetting of associations when these are continuously changing? We address this question by studying different reinforcement learning rules in a multilayer network in order to reproduce monkey behavior in a visuomotor association task. Our model can only reproduce the learning performance of the monkey if the synaptic modifications depend on the pre- and postsynaptic activity, and if the intrinsic level of stochasticity is low. This favored learning rule is based on reward modulated Hebbian synaptic plasticity and shows the interesting feature that the learning performance does not substantially degrade when adding layers to the network, even for a complex problem.