Diapositiva 1 - Dipartimento di Elettronica Applicata

TECNOLOGIE FOTONICHE
e
NANOTECNOLOGIE
Anna Maria Fiorello
20 Aprile 2011
Research&Tachnologies Dept. : Competences
and Resources
Competences :
Development of Electronic and Photonic emerging Devices (GaN,
THz,..)
Photonics for Radar and Sensors
Design of MMIC and RF assemblies RF (TRM, SSPA, ..)
GaAs/GaN Foundry
Microelectronics
Risources:
R&T (3)
Photonics (21)
RF assemblies(13)
Microelectronics (20)
GaAs Foundry (25)
Employees 78 (~30% Graduated)
GaAs/GaN Foundry
Competences:
R&D Emerging Technologies (GaN, mmW, MEMS, THz,..)
RF Testing (on-wafer) and Modeling (FET)
Development and ProductionMMIC
Reliability of electronic components
Risources:
MMIC Production (14)
R&D Emerging Tec.(6)
RF Testing & Reliability (5)
Employees 25
Clean Rooms: ~ 600m2 (Class 100/1000)
Equipments: ~ 12 M€
Microelectronics & Photonics
Competences:
 R&D Photonics and Emerging Technologies(Nanotechnology, MEMS,
THz,..)
 Design and fabbrication of Integrated Optics Devices
 Design and Fabbrication of fiber optics sub-systems
 Development of Integration and Packaging Technologies
 Pre-Production of microelectronics modules
 Quantum Crittography
Risources:
Sviluppo e PreProduzione
microelettronica (14)
1
14
Produzione film
sottile (5)
20
R&S e tecnologie
emergenti (15)
5
Management (1)
Employes 40
Lab & Clean Rooms: ~ 1000m2
Equipments: ~ 8 M€
FOTONICA
PHOTONCS: Technologies Capabilities
Devices
Thin Film
Chips
LiNbO3 Wafers
Integrated Optics Devices
Amplitude Modulators / Phase / frequency
Switches and electro-optics switches matrixes
AOTF (Acousto-Optics Tunable Filter
Non linear PPLN Devices
Packaging
Photolitography
Technologies
Fiber interconnection
Thin Film
PHOTONICS TECHNOLOGIES:
Integrated Optics Lithium Niobate Foundry
– Wide BW (>30GHz) electroptic modulators
– Acusto-Optic Tunable Filters
– Fiber Optics Gyroscopes
– Fiber Optics EM-Field Sensors
– Optical swich matrixes
– Design, manufacturing, pigtailing and
packaging of customised devices
Advanced architectures for Optical signal
processing
Optical Beam Forming Networks
Photonic μ-wave generation and μ-wave mixing
High sampling rate Photonic A/D converters
Programmable Fiber Optic Delay Lines for Radar
Calibration
Digital & analog FO links
LiNbO3:caratteristiche e proprietà
Trasparente (0.4 m-4 m)
Elettrootico: n
E
Piezoelettrico: E
PACU
Acustoottico:
n
PACU
Ferroelettrico: polarizzazione spontanea a campo nullo
Modulatore elettroottico in LinbO3
P
OUT
P
IN
1 sin( VRF / V )
2
Il segnale di tensione VRF modula la fase ottica nei due rami
dell’interferometro Mach Zehnder
La potenza ottica in uscita varia tra il massimo (interferenza costruttiva ) e
il minimo di trasmissione (interferenza distruttiva )
Un segnale applicato ad un ingresso DC sposta lateralmente la curva di
trasmissione per posizìionarla nel punto di massima linearità
Modulatore elettroottico in LinbO3: risposta in frequenza
La risposta in frequenza del modulatore è
funzione di:
Perdite RF della linea di trasmissione del
sergnale elettrico
Mismatch di velocità tra segnale ottico e
segnale RF
PROCESSO REALIZZATIVO
 Wafer di LiNbO3
 Realizzazione guide ottiche
 Strato buffer
 Elettrodi film sottile
 Elettrodi film spesso
(crescita elettrolitica guidata)
 End-Fire e taglio finale
Guide TAPE
(Thermal Annealed Proton Exchange)
SCAMBIO PROTONICO
Maschera SiO2
Scambio
Protonico
Impianto
Sputtering
Acido
200°C
di
benzoico
a
Annealing
termico
(~350°C)
Forno per diffusioni
Caratteristiche di una guida TAPE
Conduce una sola polarizzazione (Filtro intrinseco TE)
Alto danno fotorifrattivo (>100mW)
Alta efficienza elettro-ottica
Perdite di propagazione ~0.5dB/cm
CH3COOH + LiNbO3
CH3COOLi + HNbO3
Guide per Diffusione di Titanio
Titanium strip deposition
Titanium diffusion
Salto d’indice indotto su entrambe le polarizzazioni (TE e TM)
Basse perdite di propagazione (<0.2dB/cm)
Bassa soglia di danneggiamento fotorifrattivo (<10mW)
PROCESSO ELETTRODI
•
Realizzazione elettrodi a film sottile (NiCr\Au)
•
•
Spinning e cottura dell‟SU-8
Illuminazione dal retro
•
Sviluppo
•
Crescita galvanica guidata e stripping SU-8
• RISULTATI (FOTO SEM)
Crescita elettrodi
Per il funzionamento fino a 35 GHz si richiede:
Matching tra l‟indice di propagazione a radio-frequenza
nRF(~4) e l‟indice ottico nOPT(~2)
Aumento dello spessore degli elettrodi: il segnale RF risente
maggiormente dell‟indice naria=1, dunque si riduce nRF
Il progetto degli elettrodi richiede, per il matching elettro-ottico :
Larghezza (elettrodo centrale) = 10-12 m
Altezza 38 m
WG
tE
W
G
tB
Dopo i processi planari:
taglio, end-fire e packaging
Taglio del wafer con microsega K & S
Incollaggio testimoni
Lappatura angolata End-Fire:
Planarizzazione (Pasta diam.+ghisa)
Lucidatura (Syton + panno poliuretano)
Interconnessione con fibra ottica
Packaging
Link in Fibra Ottica
Link
digitale
Link
analogico
Il modulatore è pilotato dal
segnale d’ingresso tra il
massimo e il minimo di
trasmissione
Il modulatore è pilotato
intorno al punto di
massima linearità
0,1,1,0, …, 1,1,0
VRF(OUT)
VRF(IN)
La Fotonica nel RADAR
•Architettura
•Antenna federata multifunzione con instradamento dei segnali RF e IF in fibra ottica
•Impiego di collegamenti ottici per tramsmissione digitale (dati radar verso DSP )
•18
•Distribuzione OL in fibra ottica
La Fotonica nel RADAR: segnali digitali
Distribuzione dati di controllo al TRM multichannel
TR ottico
Multichannel TRM
ACC
TR ottico
Rete di Beam Forming Digitale
TR ottico
DSP
Ricevitore
TR ottico
Esempio: Distribuzione del OL ai ricevitori in antenna
STALO
Tx ottico
Rx ottico
Ricevitore
•19
La Fotonica nel RADAR: segnali analogici
RF
Vantaggi
Sistemi WDM, amplificazione e
Primo target 12 bit: 4096 posizioni
commutazione ottica
del target fino a 220km
Allo stato dell‟arte SNR =70dB/ MHz SecondoTarget per misure in cella
radar
SFDR=110dBc/Hz2/3
Risparmio sui FAT, SAT, tool per
Applicazioni:
test della cancellazione
Tool di simulazione target
velocità commutazione<1usec
Rete di BFN ottico al livello di
subarray
•Modulatore Selex SI
RFOUT
Modulator
Laser ( )
MEADS
2
1
MUX
AMPLI
AMPLI
Riv.
4
DMUX
Laser ( 2)
Riv.
Delay Module
Riv.
t = 0.75 msec ( 150 km di fibra)
3
2
1.500
msec
0.751
msec
1
Modulator
1.501
msec
Riv.
1
0.750
msec
La Fotonica nel RADAR: segnali analogici
Oscillatore Optoelettronico
Vantaggi
Generazione direttamente in RF (senza
moltiplicazioni)
Rumore di fase indipendente dalla
frequenza (<-135dBc/Hz @ 10 KHz offset)
Rumore di fase tanto minore quanto più è
lunga la cavità
Disponibile
un
output
distribuzione in fibra
ottico
per
Convertitore ADC fotonico
Vantaggi
Campionamento direttamente su portante
RF (no down conversion)
Ampia banda istantanea di ingresso
(>40GHz)
Scalabiltà del rate di campionamento a
>16GSps aumentando la parllelizzazioone
Alto ENOB (>12bit) grazie all‟uso di treni di
impulsio ottici campionanti ad alta stabilità
(jitter rms <30fs)
Segnale a 4400 MHz sottocampionato a
500 MSps (FFT) ENOB 5.5
Fotonica – Optical Device (FP7 SOFI)
Principi di funzionamento
•
Integrazione di polimeri organici elettro-ottici + strutture
guidanti in silicio per modulazione ottica ad alta frequenza ( > 60
GHz)
•
Strutture guidanti in silicio submicrometriche
Vantaggi
•
Combinazione dei vantaggi del silicio in termini di:
•con
•
tecnologie di silicon-photonics ,
•
integrabilità con elettronica C-MOS,
l‟efficienza di modulazione ottica dei polimeri organici
•Silicon photonic
nano-wires
Le Nanotecnologie
Aree Tecnologiche di interesse
 Nanoelettronica:
• Nanotriodo a catodo freddo (Progetto: NMP, Azienda: Selex SI)
• Amplificatore al THz (Progetto: Opther, Azienda: Selex SI)
• Thermal Management (Progetto: NMP, Azienda: Selex SI)
 Sensoristica:
• Film sottili nanostrutturati (Progetto: NMP, Azienda: Selex SI)
• Nano- Bio Interactive material (Progetto: NMP, Azienda: Selex SI)
• Funzionalizzazione di analiti (Progetto: Custom, Azienda: Selex SI)
 Fotonica:
• Optical Device (Progetto: SOFI, Azienda: Selex SI)
Aree Tecnologiche di interesse
Applicazioni EM:
• Multistrati nanometrici per FSS (Frequency Selective Surface) a
banda larga (Progetto: NMP, Azienda: Selex SI)
• Multistrati nanometrici per applicazioni EMA (Progetto: NMP,
Azienda: AleniaAeronautica)
Materiali Nanostrutturati:
• Materiali Nanostrutturati per applicazioni aeronautiche (Progetto:
NMP, Azienda: Alenia Aeronautica)
• Materiali Nanostrutturati per applicazioni balistiche (Progetto: NMP,
Azienda: Otomelara)
Le Nanotecnologie: il progetto NMP
Progetto:
Durata Progetto:
Cliente:
Partners:
NMP: Nanotechnology Multiscale Project
2007 - 2013 (Milestone per semestre di attività nei primi due anni, Milestone per
anno di attività nei rimanenti tre)
SEGREDIFESA
SELEX COMM, ALENIA AERONAUTICA, CSM, OTOMELARA
Obiettivo:
Sviluppare un Ambiente integrato di simulazione
Progettare e Realizzare dimostratori per i vari ambiti di
applicazione previsti dal progetto che dimostrino le capacità delle
aziende coinvolte ed i miglioramenti delle prestazioni dei prodotti
rispetto alle tecnologie tradizionali
Analisi di Impatto ambientale
Motivazioni:
accrescere il know-how nel campo delle nanotecnologie quale
elemento abilitante per lo sviluppo e la realizzazione di prodotti
altamente innovativi nel settore militare e civile
Company Confidential
NMP Activities Flow
Definizione e progettazione
ambiente integrato multiscala
Implementazione ed applicazione
dell„Ambiente Integrato
Nano
Demonstrators
Test
“State
of
Art” Study
- DB Ambiente NMP
- DB Nano Intelligence
- DB Impatto Ambientale
Results and
future Devel.
Analisys
Test and
Exploitation
NMP Integrated
Environment
Analisys &
Sinthesys
Models &
NanoTechnologies
Development
Le Nanotecnologie: il progetto NMP
9 Temi di Ricerca: Sensore CO, Sensore Chimico, Sensore Biologico,
Nanotriodo al THz basato su CNT, Thermal Management per HP devices
basato su CNT, FSS Nanostrutturate, Materiali EMA, Materiali Metallici per
Aeronautica, Materiali per applicazioni Ballistiche
•NANOVALV
•NANOCOPS
•NANOMET
•NANOEMA
•NANOBIO
•THERMAL MANAGEMENT
•NANO
•CHIM
•NANOPROT
•NANOFSS
Nanoelettronica – Nanotriodo a catodo freddo
Principi di funzionamento
•
Il Catodo (CNTs) genera la corrente (flusso di
elettroni), l‟Anodo è l‟elettrodo di raccolta e la Griglia
modula la corrente generata
•
Il catodo è composto da una array di nanotubi che
permette:
•Miniaturizzazione
•
•
(decine di micron)
• Alta
frequenza (fino ai THz)
• Alta
potenza (Thermal Management facilitato)
•CNTs for Cathode
Vantaggi:
Applicazioni nell‟Homeland Security
Coincidenza con spettri rotovibrazionali di molecole organiche di
interesse (esplosivi,droghe,…)
Trasmissione attraverso tessuti, plastica, carta,
Comunicazioni sicure a corto range (attenuazione atmosferica)
Alta risoluzione
Bassa nocività biologica
•Spettri di assorbimento
esplosivi
Nanoelettronica – Nanotriodo a catodo freddo
Progettazione preliminare e simulazione della nano-valvola in
configurazione Multi-Finger
 Processi tecnologici più semplici per la realizzazione
•
Config. Crossbar
•
(Fase 2)
 Frequenza operative maggiori rispetto alla
• configurazione Crossbar
•Company Confidential
Nanoelettronica – Amplificatore al THz
Principi di funzionamento:
•
L‟amplificatore al THz è un Travelling Wave Tube che utilizza sezioni separate per ciascuna funzione:
•
Cannone elettronico: gli elettroni sono emessi dal catodo, formato da un array di nanotubi, sono accelerati tra il
catodo e l‟anodo da un alta differenza di potenziale
•
Slow Wave Structure: il fascio elettronico trasferisce potenza all‟onda al THz
•
Collettore sezione nella quale l‟energia del fascio si converte in calore
•
Sezione di Input/output: sezioni di adattamento Ingresso/Uscita
•THZ output
•Slow Wave Structure
Vantaggi:
Realizzazione di una sorgente ad alta potenza (10-100 mW)
versatile
•Cold
catho
de
Realizzazione di un detector sensibile e compatto
•Collector
Scelto un appropriato input permette di amplificare ogni tipo di
segnale (wide-band, narrow-band, CW, pulsed …)
•THZ input
•CNTs for Cathode
Nanoelettronica –Thermal Management
Principi di funzionamento
Vantaggi
•
Inclusione di CNT in matrici commerciali per l‟aumento di
conducibilità termica del materiale (face-up). I CNT fungono da
„ponte‟ tra le particelle metalliche della resina commerciale
•
•
•
Utilizzo di CNT come bump per aumento della conducibilità
termica e diretta interconnessione elettrica del chip al
substrato (flip-chip)
Ottimizzazione dell‟estrazione del calore nell‟ambito di
tecniche di montaggio (face up e flip chip) di dispositivi chip di
potenza mediante l‟impiego di materiali nanostrutturati
Riduzione della T di giunzione in dispositivi basati su
tecnologia GaAs e GaN quali elementi costitutivi dei TRM
(Transmit/Receive Module)
Flip-chip
Face-up
Heat sink
Chip
Die Substrate
High Power
Chip
Package
TIM
CNTs Bumps
Heat Sink
Package
CNT come „ponte‟ tra
le strutture metalliche
della resina
Set-up di misura delle
resine
Bump in CNT
Sensoristica – Film Sottili Nanostrutturati
Principi di funzionamento
•
Il sensore misura la variazione di resistenza elettrica che
avviene a seguito dell‟interazione dell‟analita con il ricettore
(nano)
•
Irraggiamento del materiale chimicamente sensibile con luce
UV che produce un aumento della conducibilità del materiale 
aumento della sensibilità del sensore
Vantaggi
•
Realizzazione di un sistema molto sensibile (sensibilità > 5
ppm di CO nel caso del progetto), robusto, a basso rumore e di
facile utilizzo
Sensoristica – Nano–Bio Interactive Material
Principi di funzionamento
•
Sviluppo di biosensori basati su array di microcantilever in
silicio. Il bioricettore viene depositato su un solo lato di ciascun
microcantilever con tecniche di tipo ink-jet.
seguito dell‟interazione del bioricettore con l‟elemento da
detettare il microcantilever si deflette e tale deflessione viene
rilevata tramite tecniche interferometriche.
•A
Vantaggi
•
Realizzazione di un sensore biologico a basso costo con
tecnologie standard (ink-jet)
•
Facilità di testing di diverse tipologie di bioricettori
NMP-NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide
Photonic Sensor)
CIM
Substrate
Binding molecules are used to recognize
and selectively bind the target substances
(analytes).
Detector Array
For CO detection porphyrins and corroles
have been employed
Chamber
Analyte
Particle
Absorption Spectrum (AU)
Analyte
•CIM
•CIM +Carbon Monoxide
•Wavelength
The binding molecule change its
absorbance peak when bind to an
Reflected Beams
analyte
CIM
LASER
Detector
Spectrum
Analyzer
LIGHT
OUT FLOW
IN FLOW
λ
In GRATING
principle, the sensor comprises:
Binding molecules
An interaction chamber
A light source
An optical spectrum analyzer
Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS
Principi di funzionamento
•
Patch metallica realizzata in Film sottile multistrato
•
Dielettrico realizzato utilizzando matrice base standard
più nano/micro polveri dielettriche per la calibrazione
della costante dielettrica del composito
• Azione
filtrante dell‟assieme nel range di frequenze
•TiO2
voluto
Vantaggi
•
FSS low cost e flessibile per Sistemi Multifunzione @ 618GHz con:
•Trasmittanza
•
> 80% nella banda 6 GHz-18-GHz
T
•Nanopolvere di
TiO2
Riflettanza < 40% nella banda 6 GHz-18-GHz
R
•Banda passante a 0.8 da circa 6
GHz fino a 18 GHz
Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS
FSS a Banda Larga per Sistemi Multifunzione
Materiali nano-compositi dielettrici con
permettività controllata
Matrice: resina epossidica
Filler: Al2O3 (1-10 m), TiO2 (0.3-0.5 m), SrTiO3 (5 m)
Progettazione del nanocomposito mediante simulazione (EMT)
Test di caratterizzazione: misure permettività effettiva 8-18 GHz
parte reale
parte immaginaria
0
Progettazione del dimostratore FSS multistrato
(nano-composito) con patch a film sottile multistrato
strato dielettrico
T
Patch
Film sottile multistrato (50nm
di Ni e 300 nm di Cu)
FSS
R
SE di circa 60 dB
Dielettrico
Resina epossidica + 4% Titania
(TiO2), spessore 3.5 mm
Banda passante a 0.8 da circa
6 GHz fino a 18 GHz
Company Confidential
Multistrati nanometrici per applicazioni EMA
Principi di funzionamento
•
Studio e sviluppo di nuovi materiali multifunzionali nanostrutturati
conduttivi a Radio Frequenza, ma trasparenti in altri range di
frequenza
•
Materiali utilizzati per la schermatura di calotte e di finestre per
sensori alloggiati.
Vantaggi
•
La struttura multistrato nanostrutturata mira a garantire
alta trasmittanza ottica nelle bande operative di vari
Sensori Elettro-Ottici (E/O) di missione, ed al contempo
bassa osservabilità a radio-frequenza
•Finestra ottica
•Materiali
nanostrutturati
•Camera di misura
Applicazioni Aeronautiche e Balistiche
•Dimostratore Aeronautico
Vantaggi
• Ambito
Aeronautico: il materiale nanostrutturato ha
prestazioni meccaniche più performanti nei seguenti ambiti:
•
sforzo ultimo a rottura
•
durezza
Potting Superiore
Potting Inferiore
• Ambito
Balistico: il materiale nanostrutturato ha prestazioni
meccaniche più performanti nei seguenti ambiti:
•
durezza
•
modulo di Young
•Es. test
durezza
•Microdurezza
Vickers AA6056-T4
•Microdurezza
Vickers AA6056T6
•Dimostratore Balistico
•Microdurezza
Vickers AA6056ARB
Applicazioni Aeronautiche e Balistiche
Materiale post
laminazione
Principi di funzionamento
•
Studio e sviluppo di nuovi materiali metallici nanostrutturati
tramite tecnica ARB (Accumulative Roll Bonding)
L‟ARB è un processo che consiste nella ripetizione di cicli di
laminazione di un precursore costituito da un accoppiamento di
2 lamierini sovrapposti. La laminazione impartisce a questo una
deformazione plastica predefinita (riduzione di spessore
tipicamente pari al 50%) realizzando così una giunzione
metallurgica, allo stato solido, tale da produrre una continuità
macroscopica tra i 2 lamierini. Al termine del generico ciclo il
lamierino prodotto viene riaccoppiato ad un suo analogo e
laminato nuovamente
•
Laminatoio
Ciclo n°1
Ciclo n°2
2 strati
4 strati
Interfaccia creata
interfaccia creata
…
Ciclo n° N
2^N strati
Interfaccia creata
DESCRIZIONE DEL PROCESSO ARB
In seguito al generico ciclo ARB, internamente al lamierino sarà presente al livello
microscopico un linea di discontinuità tra i materiali che originariamente appartenevano ai due
lamierini distinti. La resistenza dell‟interfaccia creatasi e, quindi, la bontà della giunzione
diffusiva dipendono dai parametri di processo: temperatura e velocità di deformazione.
•Rullo di laminazione
•Laminato all‟n-mo ciclo ARB:
•2n lamierini di spessore h/(2n)
•Il laminato risultante è
formato da
•2 lamierini di spessore
h/2 mm e ha uno
•spessore totale h
•Il precursore è costituito da due lamierini
distinti di spessore h
•Linea di separazione tra i due lamierini del precursore
•Gola di laminazione: zona dove avviene la deformazione plastica
e la giunzione diffusiva
•Giunzione
metallurgica
tra i 2 strati del
lamierino
prodotto
“NANOAMB” AMBIENTE INTEGRATO
Macroscala
Progetto del sistema
complesso
Definizione vincoli di progetto
del sistema complesso
Definizione data-set
input per modellistica su
scala di sistema
mesoscala
Verifica
funzionalità
micro/nanoscala
Definizione data-set
input per modellistica su
microscala e nanoscala
Definizione vincoli di
progetto del nanomateriale
Modellistica della risposta
del sistema (sistema
complesso/macro-scala)
Modellistica della funzionalità
del materiale su meso-scala
Modellistica di parametri
effettivi equivalenti:
definizione delle relazioni
costitutive del materiale
(micro/nano-scala)
Verifica
risposta sist.
Definizione data-set
input per modellistica su
meso-scala
Verifica
proprietà
Progetto
Nanomateriale
Definizione dell‟architettura generale hardware e software
•
•
Stato dell‟arte nel campo delle simulazioni: risoluzione e ottimizzazione di
singoli modelli fisici (elettromagnetici, meccanici, termici, fluidodinamici, etc)
Con l‟approccio multiscala: integrazione in un unico ambiente di diversi
modelli, da quello atomico fino a quello finale di sistema
Progettazione su diversi livelli
Livelli atomici e reticolari
Livello mesoscopico,
Livello architetturale ad alto livello di astrazione,
Livello di sotto-sistema
Livello sistema finale (sistema di sistemi)
 progettazione di tipo bottom-up
progettazione di tipo top-down
Definizione dell‟architettura generale hardware e software
Multiscala: Insieme di metodologie per connettere in modo formale
(matematico) modelli analitici e numerici che operano su diverse scale
La dinamica dei Sistemi Naturali e Tecnologici
é determinata da uno spettro di fenomeni e
processi che interagiscono fra loro su un‟ampia
gamma di scale spaziali e temporali
Approccio sistematico per la
realizzazione di modelli multiscala
Meshers
Optimizers
NetGEN, etc…
ModeFRONTIER
CAD
SOLVERS
Pro/E
Orcad
(Cadance)
TiberCAD
NanoAmb
CST
HFSS
Open
CASCADE
ANSYS
OUTPUTs
Identificazione dei modelli fisici dell‟ambiente di simulazione
NanoAmb è concepito come una interfaccia per la gestione di programmi per la simulazione e in
generale l‟ottimizzazione di dispositivi elettronici di varia natura (Antenne, amplificatori, nanovalvole,
metamateriali, guide d‟onda, ecc…) e del loro interfacciamento a livello input/output .
Attraverso NANOAMB i simulatori di basso livello (SOLVERS) possono interagire con con gli algoritmi
di ottimizzazione, i CAD per la simulazione dei sistemi ad alto livello e per la generazione delle
geometrie,.
Meshers
Optimizers
NetGEN, etc…
ModeFRONTIER
CAD
SOLVERS
Pro/E
Orcad
(Cadance)
TiberCAD
NanoAmb
• Sim. di particelle (PIC)
CST
HFSS
Open
CASCADE
ANSYS
OUTPUTs
•Sim elettromagnetico (FDM) nel
dominio del tempo e della frequenza
•Sim. elettromagnetico FEM nel
dominio della frequenza
•Sim. di stress
meccanici
Standardizzazione e definizione di opportune interfacce per
software o algoritmi proprietari
NANOAMB utilizza l‟ambiente di ModeFRONTIER per
poter accedere alle risorse dei software proprietari
(come
CST,
HFSS,
AUTOCAD…)
attraverso
un‟interfaccia organizzata mediante diagrammi a blocchi
Mediante l‟accesso ai solvers elettromagnetici
permesso da Modefrontier, abbiamo realizzato il
design di una struttura Quantum Well con
TIBERCAD e di un nanoemettitore con CST.
Anodo
•NANOEMETTITORE
MODE FRONTIER
Griglia
Punta
Catodo
Blocco relativo
al software a cui
accedere (CST)
OUTPUT
INPUT
•Quantum Well
•Fascio
Elettronico
Sviluppo preliminare delle interfacce utente per la progettazione dei dispositivi
I progetti possono essere creati, salvati,
modificati e lanciati da un‟interfaccia dedicata
(file manager) all‟interno di NANOAMB
Per ogni tipologia di progetto, una finestra contenente
dei campi predefiniti (maschera) permette di inserire
le variabili necessarie per lo studio del problema e di
gestire i software impiegati
•MASCHERA NANOAMB
NANOAMB
OBIETTIVO
Solver
Tibercad
Emissione>1eV
( <1.24 m)
8.0
7.0
Mesher
Gmsh
x,L
Vincoli
6.0
L
OTTIMIZZATORE
Mode Frontier
OUTPUT
5.0
4.0
x,L
3.0
Progetto per la generazione della geometria2.00.2
e l‟ottimizzazione di un Quantum Well
0.4
0.6
x
0.8
Impatto Ambientale
Nanomateriali più usati:

Fullerene

SWCNT-MWCNT

Nanoparticelle di

o
Argento
o
Oro
o
Carbonio
Le nanotecnologie: i nanomateriali
Nanoparticelle di diossido di
o
Titanio
o
Alluminio
o
Zinco
o
PROBLEMI :
Silicio
le nanopartecelle presentano la capacità di penetrare attraverso i tessuti (traslocazione)
se inalate, le nanoparticelle, sono in grado di passare dagli alveoli polmonari nel sangue
le nanoparticelle possono veicolare sostanze pericolose nelle cellule
Legislazione e Linee Guida relative alla gestione dell‟Impatto
Ambientale delle NanoTecnologie
Governance e normative: terminologia e nomenclatura
Cosa si intende per “governance”?
Co-evoluzione di competizione e cooperazione (garantire interazione tra le
diverse parti della società)
Conciliare diversi conflitti di interesse
Unire l‟azione a breve termine con sfide a lungo termine
Combinare leggi soft e hard
Risulta quindi necessario sviluppare un‟attività normativa volta:
a definire una terminologia internazionale concordata
alla corretta valutazione della eventuale tossicità/pericolosità delle nanoparticelle
a definire nuove tecniche di misurazione e specifici strumenti adeguati a questo
nuovo settore
a definire nuove procedure di calibrazione e nuovi materiali di riferimento
Legislazione e Linee Guida relative alla gestione dell‟Impatto
Ambientale delle NanoTecnologie
Governance e normative: Unione Europea
Principio di precauzione
Sviluppare un modello
di piattaforma per la
“governance” delle
nanotecnologie
considerando
rischi legati a salute,
ambiente, sicurezza
preoccupazioni
legate ad aspetti etici
e sociali
L‟ approccio precauzionale alle nanotecnologie nell‟UE è riassunta come segue: “Dove la piena portata
di un rischio è sconosciuta, ma le preoccupazioni sono così alte che le misure di gestione del rischio
sono ritenute necessarie, come avviene attualmente per i nanomateriali, le misure devono basarsi sul
principio di precauzione” (CE, 2008).
L‟analisi del rischio può essere pensato come un processo che coinvolge quattro componenti:
l‟identificazione del rischio,
la valutazione del rischio,
la gestione del rischio,
la comunicazione del rischio.
Legislazione e Linee Guida relative alla gestione dell‟Impatto
Ambientale delle NanoTecnologie
Le nanotecnologie: le vie di esposizione per l‟uomo
Sicurezza sul lavoro
Sicurezza sul lavoro
Curva dello sviluppo nanotecnologico
Nanotecnologie: nella fase iniziale
bisogna operare per guidare lo sviluppo in
maniera responsabile
Problema della sicurezza:
riguarda essenzialmente i nanomateriali e i rischi legati a salute ambiente e sicurezza
Bisogna individuare ed adottare misure opportune
Sicurezza sul lavoro
Sicurezza sul lavoro
Stime crescenti dei lavoratori esposti nei prossimi anni a
nanomateriali
Tematiche ambientali
Gestione rifiuti
Salute consumatori
Stima dell‟Unione Europea sullo sviluppo a partire dal 2010:
impatto vendita nanotecnologie
numero di lavori creati grazie alle
nanotecnologie, crescita esponenziale,
10 milioni di persone entro il 2014
esposte a nanoparticelle
Sicurezza sul lavoro
Sicurezza sul lavoro: tossicologia e metodi di studio
Metodi a seconda del tipo di studio e dell'oggetto di indagine:
• medicina del lavoro/epidemiologia,
• i metodi in vivo negli animali,
• i metodi in vitro, per la determinazione delle proprietà fisico-chimiche.
Parametri delle linee guida europee da valutare prima di un test di tossicità:
• dimensione delle particelle e distribuzione;
• aggregazione - agglomerazione
• stato
• composizione
• forma
• solubilità
• disperdibilità
• superficie
• chimica di superficie
Sicurezza sul lavoro
Sicurezza sul lavoro: rischi e modalità di esposizione
Processo
Formazione
Potenziale Rischio
Particelle
Inalatorio
A SECCO
(FASE GAS
E DEPOSIZIONE
IN ARIA
IN FASE VAPORE)
AD UMIDO
IN
(COLLOIDALE E
SOSPENSIONE
PER ATTRITO)
LIQUIDA
Potenziale Rischio Cutaneo
•PERDITA DEL REATTORE
•CONTAMINAZIONE DELL‟ARIA
•RECUPERO DEL
NELL‟AMBIENTE DI LAVORO
PRODOTTO
•MANIPOLAZIONE DEL
•LAVORAZIONE DEL
PRODOTTO
PRODOTTO E
•PULIZIA E MANUTENZIONE
CONFEZIONAMENTO
DELL‟IMPIANTO
•ANIDRIDIFICAZIONE DEL
•PRELIEVI E CONTAMINAZIONI
PRODOTTO
DELL‟AMBIENTE DI LAVORO
•LAVORAZIONE E PRELIEVI
•MANIPOLAZIONE DEL
•LAVORAZIONE DEL
PRODOTTO
PRODOTTO E
•PULIZIA E MANUTENZIONE
CONFEZIONAMENTO
DELL‟IMPIANTO
•Fonte: INAIL – Direzione Regionale per la Lombardia Consulenza Tecnica Accertamento Rischi e Prevenzione
Sicurezza sul lavoro
Sicurezza sul lavoro: rischi e modalità di esposizione
Exposure
Duration
Exposure
Bound
Potential
Free/Unbou
Short: < 4 hours/day, 2 days/week
Duration
Materials
Release
nd
Medium: 4 to 6 hours/day, 3 to 5 days/week
Hazard Group A (known to be inert)
Long: 6 to >8 hours/day, 3 to 5 days/week
Short
1
1
2
Release Key
Medium
1
1
2
Bound: Nanoparticles in Solid Matrix
Long
1
2
2
Potential: Nanoparticles in friable or sol gel matrix
Hazard Group B (Understand reactivity/function)
Free/Unbound:
Short
1
2
2
aggregated
Medium
1
2
3
Control Band (Risk Level) Key
Long
1
3
3
1: General ventiliation and personal protective
Hazard Group C (Unknown Properties)
Nanoparticles
unbound,
not
equipment ("PPE")
Short
2
2
3
2: Engineering controls and/or respirators, additional
Medium
2
3
4
PPE
Long
2
4
4
3: Containment (e.g., glove box)
Fonte: http://goodnanoguide.org/
4: Seek specialist advice
Sicurezza sul lavoro
Sicurezza sul lavoro: misure di protezione
L'addestramento e la formazione dei lavoratori deve far parte
di un programma di tutela integrale per la salute e la
sicurezza. Per ridurre l'esposizione dei lavoratori alle
nanoparticelle, i lavoratori devono:
apprendere come manipolare in sicurezza le nanoparticelle,
apprendere come utilizzare i dispositivi di protezione
individuale
AL MOMENTO L‟UNIONE EUROPEA NON HA
ANCORA DEFINITO UNA NORMATIVA
SPECIFICA PER LE NANOTECNOLOGIE ED I
NANOMATERIALI
Guida di Buona Pratica
Strumentidi
protezione
Filtri
Respiratori
DPI
Guanti
Occhiali
Indumenti di
protezione
Conclusioni
Il corpo sub-legale di norme riguardanti l‟impatto ambientale e la sicurezza
sul lavoro (ad esempio Documenti tecnici di orientamento, piani di
attuazione di REACH, …) attualmente non affronta il problema specifico
dei nanomateriali
Promuovere la ricerca come strumento per acquisire conoscenze scientifiche
certe e di conseguenza per migliorare e rendere più complete direttive quali ad
esempio REACH, le direttive 98/24/CE, 67/548/CEE, 98/8/CE
Rendere facilmente fruibili le informazioni scientifiche e legislative attraverso basi
di dati aggiornati e disponibili in rete (DB NanoImAm, DB NanoInt e DB
NanoAmb)
Chemical & Biological Sensors
Vision for Defence and security
(Homeland Security)
•System of systems integration
•Territorial Defence
Detection/ID sensors for persons
Detection/ID sensors for materials
•Large event MGM
 Point/ gate sensor for control systems
Area / antiintrusion (EM) sensors
Short medium range Radar surveillance systems
Application Domain
Development of Chemical Sensors is focusing
applications in the “Territorial Security” field,
looking at the following threats:
• Terroristic threats as Nervine Gases
• Explosives (gas traces detection)
• Drugs & Drugs precursors
The application scenario could be:
– First Alarm
– Forensic Analysis
– Decontamination
Terroristic threats
•Tipical IR Absorption spectrum of Nervine Gases
Explosives / IED
Struttura di IED
TNT, PETN, DNT,
The Sensor
• Sensor embedded in a typical urban/military area  difficult
identification in a “real environment “ with chemical
interferences
• Portable and Tactical Sensor
• Lab Sensor
Distributed sensor
Development of concepts of distributed sensor:
• Advantages: higher detection range and improvement of the reaction
time to the threats.
• Architecture : sensing and transduction distributed over an area / path
and exploitation of the fiber optics low signal attenuatuion and high BW
for multiplexing of raw signals and data. Single centralised transduction
optical equipment for all the sensing area.
Detection techniques
Sensor as a “node” inside a system  The role of Optical Fiber :
• Interrogation
• Processing and Data Analysis
• Communication
• Connection with other sensors (orthogonal)
Objective:
Increase the Probability of Detection (PoD) & decrease the Probability of
false allarm (PFA)
Technologies
 Laser induced Photo-acoustic absorption spectroscopy
 Functionalised Optical Devices by organic molecules
using Body-anti-Body Technique
 UV spectroscopy using chemicals for detection of CO2
 IR Absorption spectroscopy in Optical Fiber
 Tera-Hertz technologies
SENSOR NODE
Chemical Detection
MINIGAS (FP 7)
Data Acquisition&
Processing
Sensors based on
PhotoAcoustic
Effect+Hollow waveguides)
Sensing+signal conversion
SENSEFIB (FNM Corp. Proj.)
SENSOR
NETWORK
SENSOR NODE
TERA-ERA (FNM Corp. Proj.)
Stand Off Sensor
for Explosives
OPTHER (FP 7)
Thz oscillators and
amplifiers based on cold
cathode emitters +QCL
(Quantum Cascade Laser)
Chemical Detection
(Drug Precursor
CUSTOM
FP7-Security)
Chemical/Bio
Detection
NMP
(PNRM 13/05)
NANOCAP (EDA)
Fiber-Optic/Wireless
Link
Optical Interface &
Communication
MINIGAS
Applications
SF6 from gas-insulated equipment in high voltage plants ha an effect on
Greenhouse effect 23 thousands times the CO2 (kyoto Protocol)
Target
high sensitivity :10ppb.
OPTHER (FP7)
Progetto:
Optically Driven TeraHertz Amplifier
Valore Progetto:
4100 k€
Durata Progetto:
36 mesi
Cliente:
European Commission / FP7
Partners:
SELEX-SI, Un. Tor Vergata, Un. Francoforte, Thales Electron Devices, Thales R&T,
CNRS
Totale SSI:
912k€
Obiettivo: Si punta a risolvere la limitazione in
termini di potenza e dimensioni delle sorgenti al THz
attraverso un approccio nuovo che mira a alla
realizzazione di un amplificatore al THz basato su
tecnologia di tubi a vuoto miniaturizzati con catodo
freddo e guide d‟onda Slow Wave, per l‟amplificazione
di sorgenti esistenti
Motivazioni: La radiazione THz si propone
strumento per soluzioni nella sensoristica per la
sicurezza, in quanto attraversa barriere fisiche opache
al visibile e consente l‟identificazione spettroscopica
delle minacce.
Company Confidential
Finanziamento SSI:
480 k€
OPTHER : The THz Amplifier
In OPTHER approach THz amplifier is a Travelling Wave Tube which uses
separated zones for each function :
• Electron gun : electrons are emitted by the cathode , accelerated between
the cathode and the anode by the high voltage , and the electrodes give the
beam a shape matched to the microwave structure
• RF structure where the e-beam interacts with the travelling wave
• Collector in which the spent beam energy is converted into heat
• Input/output sections to couple and match Input Source and Output Channel
(e.g antenna) wave to the RF structures
THZ output
RF structure
Cold
cathode
Collector
THZ input
Company Confidential
OPTHER :
Achieved technological tasks: The Electron Gun
• Development of OPTHER THz
amplifier is a mosaic of critical
technologies.
• Electron Gun is one the most critical
elements. It performs.
– electron emission by the cathode
– electron acceleration by the
electric field between cathode and
anode
– beam shaping by the grid
electrodes
• The following technological tasks
were finally accomplished
– CNT growth process flow for
nano-scale patterned CNTs
– Process flow for CNT pattern
overimposed
to
Optical
concentrator based on periodic
structure on Si for optically
modulated cathode configuration
Company Confidential
OPTHER :
Achieved technological tasks: The Slow Wave Structure
A second critical element is the MW structure. It is an RF delay line which
performs:
– focusing of the electron beam in the interaction structure
– Injection and extraction of microwave power
– Beam-to-wave interaction in order to amplify the drive power
• Accuracy in the Micromaching techniques for fabrication of the Slow Wave
Structure and aspect ratio are critical issues
• Processes both based on standard Photolithography and LIGA were
finally established
H=66 m
H=150 m
p = 26 m-32 m
L=20mm
Company Confidential
OPTHER : The THz Amplifier
Technical objectives of the project
The proposed amplifiers have to be reliable, robust,
compact, light, compatible with several THz sources.
Furthermore it will operate with high efficiency at
room temperature.
Low power (< 1mW), compact THz sources are becoming available even
commercially, however, in order to achieve the necessary power to extend THz
tecnhology to significant applications, powerful THz amplifiers are needed.
The OPTHER project aims at developing a THz amplifier to boost THz up to 10100 mW
Drugs And PreCUrsor Sensing By
ComplemenTing Low COst Multiple
Techniques
CUSTOM: OBJECTIVES
CUSTOM
aims to build up a easy to use and compact system able to provide
screening over a large number of compounds and discriminate them with low false
alarm (FA) and high probability of detection (POD).
The project CUSTOM will focus on employing multiple techniques, integrating
them in a complex system which employs them in a complimentary approach in
order to identify an optimum trade-off between opposite requirements:
compactness, simplicity, low cost vs. sensitivity low false alarm rate,
selectivity
CUSTOM
Schema a blocchi del NODO sensore
CUSTOM: Technologies
BIOCHemical FLUPRESCENT
The molecules will be conjugated to
fluorescence probes and immobilized on
nanostructured wafers by modifying or
functionalising their surfaces. Binding of the
selected target analytes to the produced
biosensors will be monitored by optical
methodologies
OPTOCHIP
LPAS
Laser photo-acoustic sensor (LPAS).
Acoustic wave are generated in the
sample from the absorption of photons.
The heat in the localized region of the
light beam produces a pressure wave,
which can be detected with a suitable
sensor such as a microphone and
converted as a voltage signal. In
CUSTOM a vibrating cantilever will be
used as a pressure wave detector due to
its small string constant.
CUSTOM: Technologies
Bio-receptor synthesis
Mechanical design of the sampler
MINIGAS (FP7)
Progetto:
Durata Progetti:
Cliente:
Partners:
Miniaturised photoacoustic gas sensor based on patented interferometric readout and
novel photonic integration technologies
2008-2011
Comunità Europea ICT FP7
VTT (Fi), Univ Turku, Gasera (Fi), Ioffe (Ru), Draeger (D), Doble (N)
Obiettivo:Il progetto mira alla realizzazione di un sensore per gas che sia di punto portatile (10 cm)
estremeamente poco costoso (100€)per la prima detezione di gas nocivi oppure per la misura di gas come
CH4 per applicazioni sicurezza e medicali. La sensibilità di questo strumento sarà sufficiente per gas nervini
(Sarin) / esplosivi se combinato con un laser di tipo QCL ad elevata potenza. Questo ridurrà la probabilità di
falso allarme (aumento selettività) e aumenterà la probabilità di detezione.
Motivazioni:Il progetto permette di studiare
i requisiti e le caratteristiche, il mercato di
sensori di punto portatili per CBRNE, da
essere utilizzate per la realizzazione di
sistemi di sensori per la sicurezza
nazionale.
Company Confidential
NANOCAP
Progetto:
Novel NANOstructured optical Components for CBRN detection and
high performance opto microwave links
Cliente:
EDA ICET
Partners:
DAS Photonics, Univ of Valencia , Univ of Cyprus , CNRS Institute
of Saint Louis,CNR IBP, Selex SI:
Obiettivo: Si intende sviluppare una piattaforma tecnologica per filtri ottici
ad elevato Q in link ottici RF e mixing tutto ottico per applicazione radar e
sensing basato su ottica di sostanze CWA
(a)
SiN, SoI
(b)
Corporate Project: SENSEFIB
Progetto:
Corporate Project Finmeccanica -Analisi e Sviluppo di soluzioni tecnologiche per
sensori termici, meccanici, chimici in fibra ottica.
Valore Progetto:
0.72M€
Durata Progetti:
2007-2010
Cliente:
Partners:
Totale SSI:
0.21 M€
Finanziamentio SSI:
0.16M€
Finmeccanica
Alenia Improvements, Alenia Aeronautica, Selex Galileo,CREO,CNR IMM
Obiettivo:Studio di soluzioni per la realizzazione di sensori che utilizzano componenti in fibra ottica ed
infrarosso (IR) per il “Sensing” ambientale (fenomeni geologici), strutturale (aeroporti, ponti, dighe, edifici,
ferrovie, autostrade gasdotti oleodotti, porti, ecc) e chimico-biologico (inquinanti ambientali o attacchi
terroristici di matrice chimica o biologica).
Motivazioni:Sensori in fibra ottica IR
distribuiti per utilizzo e integrazione in
“Grandi Sistemi”, per applicazioni
aeroporto chiavi in mano, altre grandi
aree, monitoraggio chimico grandi
infrastrutture per HSecurity
Company Confidential
Corporate Project: SENSEFIB
Sensori per misure di deformazione e temperatura basati su:
Fibre Bragg Grating, FPG (sensori localizzati) 
Disaccoppiamento tra temperatura e
deformazione
Sensori chimici per esplosivi e gas di guerra chimica:
Photonic Crystal Fibers (Hollow Optical Fibers)
Processing
Sensor-fiber coupler
Source-fiber coupler
Hollow core fiber
IR source
Link from/to
the network
Outlet
Sensors
Micro
pump
Inlets
Schema funzionale
Laser QCL 10 um
Company Confidential
HYPERION
Hyperspectral Imaging IED and Explosives Reconnaissance System
Cliente:
Partners:
Comunità Europea, Piattaforma FP7, Call security
1 (Coordinator) Swedish Defence Research Agency (FOI) Sweden 2 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. (FhGIAF) Germany 3 Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO (TNO) The Netherlands 4 ASELSAN Elektronik
Sanayi ve Ticaret A.S. (ASELSAN) Turkey 5 Selex Sistemi integrati SpA (SSI) Italy 6 Morpho (MORPHO) France 7 Bundes Kriminal Amt (BKA)
Germany 8 VIGO (VIGO) Poland 9 Turkish National Police (EGM) Turkey 10 Portendo (Portendo) Sweden 11 Tecnalia (TECNALIA) Spain 12 The
Swedish National Laboratory of Forensic Science (SKL) Sweden
Obiettivo: sviluppo e test di un sistema per la analisi scientifica di un sito dopo un esplosione,
basata su strumenti e procedure principalmente stand off , identificazione di quantità e
qualità di IED anche non esploso.
OPEN Innovation
Open Innovation:
“The new imperative for creating
and profiting from technology”.
2003, Henry Chesbrough (UC
Berkeley)
“Open innovation is a paradigm that
assumes that firms can and should
use external ideas as well as internal
ideas, and internal and external paths
to market, as the firms look to advance
their technology”.
The central idea behind open & distributed innovation is that, in a world of
widely distributed knowledge, companies cannot afford to rely entirely on
their own research, but should instead buy or license processes or inventions
from other companies or collaborate with their eco-systems.
Open Innovation in SELEX SI
Innovation & EcoSystem
Value Co-Generation:
for
“OPEN Innovation”
Companies Univ Collaborations
FNM FNM
University
Collaborations:
415
SELEX SI 17%
Others 53%
Collaborations with Universities & Research Centres:
30-th November 2010
AGUSTA
WESTLAND
16%
MBDA Int 14%
35 Research Contracts (4 abroad)
8 Master sponsorships, 25 Stages, 7 PhD
Economic Value for Reseach Contracts:
> 2.472 K€
2009: Architecture & Distributed Algorithms for Radar networks; Meccanismi recovery, logiche organizzative, approccio
validazione; Sviluppo di Sensori in Fibra Ottica ed Infrarosso; Nanovalvole per TeraHertz; Thermal management NanoCNT; Nano
Structured Frequency Selective Surfaces (NanoFSS); Nano Carbon Monoxide Photonic Sensor (NanoCOPS); Ultra large scale
systems (ULS); Implementazione algoritmo “space-time adaptive processing (STAP); Sviluppo e Caratterizzazione di dispositivi
pHEMT ; Caratterizzazione modellistica di transistori E/ D Mode PHEMT; Algoritmi di tipo stocastico per la generazione di scenari
sistemi radar; Augmented Reality based Maintenance (ARM); Array sparsi per la realizzazione di un plane wave generator (PWG);
Analisi elettromagnetica tridimensionale materiale composito; Standardizzazione Architetturale Simulatori per l'Addestramento;
Risk Evaluation & Environmental Impact of ionizing radiations
2010: GaN pHEMTdevices developments; Payload for Mini UAV; Thermal Management ed Interconnessione NanoCNT; Algoritmi
modello TEM per CSC Trajectory Prediction; Sistema Integrato per Trasporto Marittimo; Fusione Distribuita della informazione in
reti di sensori; Tecniche al TeraHz per Imaging di materiali; Nano Multiscala Tiberlab; Paradigmi di programmazione Multi-Core;
Systems Security Engineering Capability Maturity Model (SSE-CMM); Compressive Sensing per Tomografia a Microonde;
Soluzioni Network Centric per rendez vous in condizioni di incertezza; Architecture Specifications & Configurations for
Distributed Complex Systems ; ...
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e-mail: [email protected]
T +39 06 415013104
M. +393351379733