Guida degli insegnamenti
Syllabus
Partially translatedTradotto parzialmente
Davide MENCARELLI
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea Magistrale - [IM11] INGEGNERIA ELETTRONICA (Curriculum: Elettronica per Applicazioni Nautiche) Master Degree (2 years) - [IM11] ELECTRONICS ENGINEERING (Curriculum: Elettronica per Applicazioni Nautiche)
Dipartimento: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'InformazioneDepartment: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'Informazione
Anno di corsoDegree programme year : 1 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2021-2022
Anno regolamentoAnno regolamento: 2021-2022
Crediti: 3
Ore di lezioneTeaching hours: 24
TipologiaType: D - A scelta dello studente
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-INF/02 - CAMPI ELETTROMAGNETICI
INGLESE
English
Conoscenza delle nozioni fondamentali dell'analisi,
meccanica strutturale e della fisica di base.
Knowledge of the basic topics of analysis, structural
mechanics and fundamental physics.
Lezioni di teoria: 18 ore
Lezioni applicative: 6 ore
Theory lessons: 18 hours
Hands-on classes: 6 hours
L’insegnamento permette agli studenti di acquisire conoscenze di base ed avanzate su micro e nano strutture. I concetti e metodi appresi durante il corso forniranno capacità di ingegnerizzazione di elementi base di sistemi micro-elettromeccanici (sistemi MEMS). Il corso si orienta ad estendere la visione progettuale globale dello studente, stimolando analisi critica, comprensione e identificazione di problemi a scale di ordine ridotto. Tali conoscenze che integreranno la formazione dello studente potranno essere estese a molteplici problemi ingegneristici in termini di scelta di approccio e metodologia risolutiva.
Capacità di applicare conoscenze e comprensione.
Al termine del corso lo studente sarà in grado di progettare ed analizzare il comportamento statico e dinamico di micro/nano sistemi elementari utilizzando modelli analitici e numerici. Lo studente sarà in grado di utilizzare a scopo progettuale software computazionali nonché’ implementare semplici codici per modellare e simulare microstrutture. Attraverso modelli ad ordine ridotto e modelli continui, lo studente perverrà all’analisi statica e dinamica di risonatori per sensori ed attuatori attraverso l’integrazione di nozioni acquisite e metodi computazionali.
Competenze trasversali.
Lo studente affronterà problematiche relative alla progettazione ed identificazione di sistemi in scale ridotte (micro/ nano) attraverso casi di studio pratici. Inoltre, dovrà confrontarsi con problemi di accoppiamento multifisico in cui svilupperà competenze tipicamente interdisciplinari comprendenti aspetti elettromagnetici, meccanici, fisici. Attraverso lo sviluppo di un progetto (da svolgere autonomamente od in gruppo), lo studente aumenterà analisi critica ed autonomia decisionale in fase progettuale, consapevolezza rispetto alle conoscenze acquisite da dover
spendere ai fini dell’ottenimento dei risultati. Il progetto pone accento anche allo stimolo di capacità espositive e comunicative dello studente.
Knowledge and Understanding.
The course aim is to give students basic and full understanding about micro and nano structures. In detail, the acquired knowledge and methods will endow the student with advanced design tools that can be applied when developing devices at the base of more complex micro-electro-mechanical systems (MEMS). A major teaching goal is to augment the engineering design skills of students. By facing compelling issues, the students will grow a reviewer attitude in order to identify smart solutions at micro and nano scale. Scientific consciousness and new methodologies will serve as a whole to study a wide range of engineering problems.
Capacity to apply Knowledge and Understanding.
Through the course, the student will acquire mastery of statics and dynamics of MEMS devices and to perform analyses via analytical and numerical approaches. The student will be autonomously deciding the method of investigation on the base of the full device understanding and of its specifics. He/she will make use of computational suites, how to model and design by implementing codes and routines for the benefit of the sensor /actuator properties and performances.
Transversal Skills.
The course will teach how to tackle both design and identification of real structures at micro and nano scale. The student will face multi-physics coupling effects that plays an important role at the microscale and yet intrinsically arise during the regular functioning of small structures. The student will be asked to develop an assignment (alone or in group). By developing the project, the student will strength his/her applied design skills. The project will also serve as a platform to increase collaborative and communication capabilities.
1. Introduzione ai micro/nano sistemi. Definizione di MEMS/NEMS. Tecniche costruttive e applicazioni alle micro e nanotecnologie. Funzionalità e prospettive nell'uso di NEMS/MEMS.
2. Analisi elettrostatica dei dispositivi MEMS/NEMS.
Analisi elettromagnetica quasi-statica, effetti di smorzamento, affidabilità, metodi di modellazione numerica, applicazione di dispositivi MEMS elettrostatici, modelli di capacità sintonizzabili.
3. Analisi elettro-termica-strutturale e attuazione termica/elettrica di MEMS. Effetti legati a geometria/dimensione, effetto joule/resistivo.
4. Microstrutture integrate in componenti a radiofrequenza (RF MEMS). Simulazione elettromagnetica in regime dinamico di interruttori MEMS. Caratterizzazione dei MEMS RF in termini di configurazione circuitale, modalità di attuazione, tipologie di contatto. Switch MEMS basati su CNT.
5. Onde acustiche bulk e onde di superficie. Effetto piezoelettrico. Trasduttori interdigitali. Matrice di diffusione ibrida meccanica/elettromagnetica. Approcci teorici per la calibrazione delle onde acustiche superficiali.
6. Esercitazioni e applicazioni pratiche, utilizzo di software multifisico (Comsol-Matlab).
1. Introduction to micro/nano systems
Definition of MEMS/NEMS. Manufacturing and packaging. Application of micro and nanotechnologies. NEMS/MEMS features. Modelling challenges. Outlooks.
2. Electrostatic analysis of MEMS/NEMS devices
Quasi static electromagnetic analysis, damping effects, reliability, numerical modelling method, application of electrostatic-driven MEMS devices, tunable capacitance models.
3. Electrical-thermal-structural analysis and thermal actuation
Actuation through external voltage via thermal expansion, geometry/size effects, joule/resistive heating.
4. Microstructures integrated in radio frequency components (RF MEMS)
Electromagnetic simulation in dynamic regime of MEMS switches. Characterization of RF MEMS in terms of circuit configuration, actuation methods, types of contact. CNT-based MEMS switch.
5. Analysis of MEMS based on bulk acoustic waves and surface waves
Piezoelectric effect. Interdigitated transducers. Hybrid mechanical/electromagnetic scattering matrix. Theoretical approaches for calibration of surface acoustic waves.
6. Exercises and practical applications, use of multiphysics software (Comsol-Matlab).
La valutazione del livello di apprendimento consiste in due prove: - una tesina, consistente nella stesura di un elaborato scientifico che riguarda argomenti
trattati nel corso sulla base di letteratura esistente; - una prova orale,
consistente nella discussione dell'elaborato tecnico redatto e della
teoria trattata nel corso aventi lo scopo di verificare la capacità dello studente di applicare ai casi pratici i concetti teorici del corso.
Criteri di valutazione dell'apprendimento.
Per superare con esito positivo la valutazione dell'apprendimento, lo studente deve dimostrare di:
- aver ben compreso i concetti esposti nel corso;
- saper elaborare tali concetti applicandoli alla risoluzione di problemi semplici nell'ambito delle micro e nano strutture scegliendo approcci adeguati;
- essere capace di interpretare i fenomeni caratteristici che governano la risposta di sensori ed attuatori alla micro e nano scala;
- saper impostare approcci risolutivi per semplici strutture caratteristiche.
Criteri di misurazione dell'apprendimento.
Viene attribuito un voto in trentesimi, con eventuale lode.
Criteri di attribuzione del voto finale.
Nella tesina, la sufficienza 18/30 è attribuita ripetendo passi elementari di papers scientifici. Il voto massimo 30/30 è attribuito nel caso lo studente affronti casi di particolare complessità o estenda lo sviluppo esistente. Per accedere all’orale è necessario avere la sufficienza nello scritto. Il voto complessivo parte da quello dello scritto, aggiungendo/togliendo punti a seconda dell’esito dell’orale. La sufficienza (18/30) sarà ottenuta dimostrando di aver capito i concetti di base del corso. Il voto aumenterà proporzionalmente alle conoscenze dello studente, fino al massimo (30/30) che si ottiene dimostrando una conoscenza approfondita dei contenuti del corso. La lode è riservata agli studenti particolarmente brillanti.
Learning Evaluation Methods.
The learning evaluation will be done in two steps: - a written assignment,
where the students analyse a case-study found in the literature related
to the topic of the lectures; - an interview (oral examination) which will involve the
essay and all the topics discussed during the lectures, aimed at checking the application of the general theory.
Learning Evaluation Criteria.
To get a positive evaluation, the candidate must:
- show that he/she understood the topics developed in the lectures;
- be able to elaborate the previous concepts in order to solve simple
problems of structural engineering at micro and nano scale;
- be able to understand the phenomena that govern the response of
micro/nano sensors and actuators;
- be able to determine the methodology for the analysis of archetypal
micro/nano structures.
Learning Measurement Criteria.
A thirty-points scale is used for grading, with possible praise.
Final Mark Allocation Criteria.
In the assignment, the minimum sufficient score 18/30 is obtained by repeating elementary steps of published technical papers. The maximum 30/30 is obtained tackling difficult problems or when the student extends the current elaboration. Getting 18/30 in the essay is mandatory to be admitted to the oral. The total score starts from that of the assignment, adding/subtracting scores according to the interview results.The minimum (18/30) is for students that show at least the understanding of basic concepts. The mark will increase accordingly to the student knowledge and his/her ability to elaborate these concepts, up to the maximum score (30/30) which is obtained with full knowledge of all topics. The "laude" is obtained showing special cleverness.
- Dispense e slide distribuite tramite la piattaforma e-learning (https://learn.univpm.it)
- Articoli scientifici e tutorial sull’analisi elettromagnetica e multifisica dei MEMS messi a disposizione del docente.
- Lecture notes and slides distributed through the e-learning platform (https://learn.univpm.it).
- Scienific papers and tutorials on the elecromagnetic and mutiphysic analysis of MEMS, provided by the Teacher.
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento. Academic year 2021-2022
Università Politecnica delle Marche
P.zza Roma 22, 60121 Ancona
Tel (+39) 071.220.1, Fax (+39) 071.220.2324
P.I. 00382520427