Advanced CMOS Interfaces for Bio-Nanosensors

The improvement of devices provided by Nanotechnology has put forward new classes of sensors, called bio-nanosensors, which are very promising for the detection of biochemical molecules in a large variety of applications. Their use in lab-on-a-chip could gives rise to new opportunities in many fields, from health-care and bio-warfare to environmental and high-throughput screening for pharmaceutical industry. Bio-nanosensors have great advantages in terms of cost, performance, and parallelization. Indeed, they require very low quantities of reagents and improve the overall signal-to-noise-ratio due to increase of binding signal variations vs. area and reduction of stray capacitances. Additionally, they give rise to new challenges, such as the need to design high-performance low-noise integrated electronic interfaces. This thesis is related to the design of high-performance advanced CMOS interfaces for electrochemical bio-nanosensors. The main focus of the thesis is: 1) critical analysis of noise in sensing interfaces, 2) devising new techniques for noise reduction in discrete-time approaches, 3) developing new architectures for low-noise, low-power sensing interfaces. The manuscript reports a multi-project activity focusing on low-noise design and presents two developed integrated circuits (ICs) as examples of advanced CMOS interfaces for bio-nanosensors. The first project concerns low-noise current-sensing interface for DC and transient measurements of electrophysiological signals. The focus of this research activity is on the noise optimization of the electronic interface. A new noise reduction technique has been developed so as to realize an integrated CMOS interfaces with performance comparable with state-of-the-art instrumentations. The second project intends to realize a stand-alone, high-accuracy electrochemical impedance spectroscopy interface. The system is tailored for conductivity-temperature-depth sensors in environmental applications, as well as for bio-nanosensors. It is based on a band-pass delta-sigma technique and combines low-noise performance with low-power requirements.

La caratterizzazione probabilistica del sottosuolo come strumento per l’ottimizzazione della progettazione integrata dei sistemi geotermici

L’utilizzo del reservoir geotermico superficiale a scopi termici / frigoriferi è una tecnica consolidata che permette di sfruttare, tramite appositi “geoscambiatori”, un’energia presente ovunque ed inesauribile, ad un ridotto prezzo in termini di emissioni climalteranti. Pertanto, il pieno sfruttamento di questa risorsa è in linea con gli obiettivi del Protocollo di Kyoto ed è descritto nella Direttiva Europea 2009/28/CE (Comunemente detta: Direttiva Rinnovabili). Considerato il notevole potenziale a fronte di costi sostenibili di installazione ed esercizio, la geotermia superficiale è stata sfruttata già dalla metà del ventesimo secolo in diversi contesti (geografici, geologici e climatici) e per diverse applicazioni (residenziali, commerciali, industriali, infrastrutturali). Ciononostante, solo a partire dagli anni 2000 la comunità scientifica e il mercato si sono realmente interessati ed affacciati all’argomento, a seguito di sopraggiunte condizioni economiche e tecniche. Una semplice ed immediata dimostrazione di ciò si ritrova nel fatto che al 2012 non esiste ancora un chiaro riferimento tecnico condiviso a livello internazionale, né per la progettazione, né per l’installazione, né per il testing delle diverse applicazioni della geotermia superficiale, questo a fronte di una moltitudine di articoli scientifici pubblicati, impianti realizzati ed associazioni di categoria coinvolte nel primo decennio del ventunesimo secolo. Il presente lavoro di ricerca si colloca all’interno di questo quadro. In particolare verranno mostrati i progressi della ricerca svolta all’interno del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali nei settori della progettazione e del testing dei sistemi geotermici, nonché verranno descritte alcune tipologie di geoscambiatori innovative studiate, analizzate e testate nel periodo di ricerca.

Progetto di un'interfaccia utente per la gestione e memorizzazione di forme d'onda mediante microcontrollore

L'energy harvesting è un processo in cui l'energia ambientale comunemente disponibile viene catturata mediante opportuni trasduttori e circuiti elettronici per essere convertita in energia elettrica utilizzabile. Il progetto descritto sarà una estensione ed integrazione di un sistema già esistente, per la riproduzione attraverso un sistema elettrodinamico vibrante (shaker), di vibrazioni acquisite dall'ambiente circostante in situazioni di riferimento tipiche (esempio le vibrazioni prodotte da un veicolo in movimento o un uomo in corsa), al fine di caratterizzare trasduttori piezoelettrici per studiarne il funzionamento, le caratteristiche e il loro comportamento. Lo scopo finale è quello di realizzare un sistema stand-alone che sia in grado di riprodurre e controllare in maniera affidabile le vibrazioni imposte da un sistema vibrante, al fine di realizzare un sistema di caratterizzazione per dispositivi di energy harvesting vibrazionale. In questo progetto, l’intera gestione del processo viene affidata ad un microcontrollore presente sulla scheda di controllo, il quale consente in tempo reale la visualizzazione delle forme d’onda oggetto di studio mediante un display grafico, l’elaborazione dei dati presenti nel sistema nonché la possibilità di caricare e salvare dei dati significativi sulla memoria del sistema durante le fasi di testing. Le caratteristiche implementate rendono il sistema facile da usare. Successivamente verranno descritte le specifiche tecniche necessariamente da rispettare per la realizzazione di un sistema che permetta di riprodurre e fornire dati attendibili, la struttura di visualizzazione grafica del sistema, la parte di condizionamento del segnale e i principi teorici del controllo ad anello chiuso.

Progettazione e sviluppo di un'interfaccia web per la gestione di un impianto fotovoltaico di medie dimensioni

Con questa tesi ho descritto come le tecnologie web odierne possano permettere di sviluppare degli applicativi alternativi ai software da installare nei singoli pc. La gestione dei dati tramite database, la loro ricerca ed esposizione tramite il linguaggio SQL, la gestione semplificata dell'interfaccia grazie al CSS e le molteplici applicazioni rese disponibili da terze parti (come grafici o servizi meteorologici utilizzati nell'elaborato) permettono di soddisfare qualsiasi specifica richiesta. Nella tesi in oggetto tratto, a questo scopo, la creazione di un'interfaccia che consenta di gestire e monitorare un impianto fotovoltaico di medie dimensioni.

Un oracolo per la scelta location-based dell'interfaccia di rete nei dispositivi mobili

Viene proposta l'implementazione di un oracolo che utilizza la posizione geografica e informazioni sugli AP WiFi per determinare quali interfacce di un dispositivo mobile mantenere attive.

Implementazione di protocolli automatici per la caratterizzazione di microchip mediante interfaccia labview

Uno dei principali passi della catena di produzione di circuiti integrati è quello di testare e valutare una serie di chip campione per verificare che essi rientrino nei valori e nelle specifiche scelte. Si tratta di un passaggio molto importante che determina le caratteristiche del prodotto nella realtà, mostrando le proprie capacità o i propri limiti, permettendo così di valutare un’eventuale produzione su larga scala. Ci permette inoltre di stimare quali dei chip rispetto agli altri presi in esame è migliore in alcuni aspetti, oppure quale risulta più lontano dalle specifiche volute. Il lavoro alle spalle di questa tesi è proprio questo: si è cercato di caratterizzare un microchip chiamato Carbonio, nato nei laboratori della II Facoltà di Ingegneria di Cesena, creando un banco di misura automatico, tramite l’ausilio del software Labview e di una scheda hardware realizzata ad hoc, che desse la possibilità di eseguire alcuni test consecutivi su ogni singolo circuito integrato in modo da caratterizzarlo estrapolando tutte le informazioni cercate e verificandone il funzionamento. Tutti i valori estratti sono stati poi sottoposti a una breve analisi statistica per stabilire per esempio quale circuito integrato fosse meno immune ai disturbi dovuti al rumore elettrico oppure per eseguire un’indagine al fine di vedere come i valori dei parametri scelti si disponessero rispetto ai lori rispettivi valori medi.

Estensione dell'interfaccia grafica in tuprolog per Android

L’obiettivo di questa tesi è quello di estendere l’interfaccia grafica di tuProlog nella versione per Android, il più diffuso sistema operativo per tablet e smartphone. TuProlog è un’ interprete Prolog interamente scritto in java, leggero e open–source. L’applicazione è disponibile sotto forma di archivio JAR eseguibile e può essere utilizzato tramite un’interfaccia a riga di comando, nella versione Java, o per mezzo di interfacce grafiche negli ambienti Java, .NET e Android. La versione per Android supporta pienamente Java e la maggior parte delle librerie dell’applicativo per JVM. Lo sviluppo di applicazioni per dispositivi mobile, però, limita lo sviluppatore in termini di complessità delle elaborazioni effettuabili dal programma e comprensibilità dell’interfaccia grafica; per questi e altri motivi, la struttura dell’applicativo in versione Android, fatta eccezione per il core Prolog, è diversa dalle versioni per altri ambienti. L’applicazione, giunta ora alla versione 2.7.2, manca della possibilità di input da console in tutte le versioni ad interfaccia grafica. Scopo di questa tesi è quindi integrare tale funzionalità, inserendola all’interno del contesto applicativo senza modificare il normale flusso delle operazioni, intervenendo in modo mirato, il meno invasivo possibile e garantendo l’espandibilità della modifica ad estensioni future.

Applicazione dello User-Centered Design nella progettazione di un sistema di supporto alle decisioni per viticultura di precisione

Lo scopo di questo progetto è la progettazione dell'interfaccia utente di un Decision Support System (DSS) web based per la gestione integrata dei vigneti utilizzando lo user centered design. Questo sistema permetterà di facilitare il lavoro dei viticoltori confrontando una serie di variabili e fattori che verranno utilizzati per migliorare le loro capacita decisionali ed ottenere un livello ottimale di produttività del vino.