EO-456

- ELETTRONICA OGGI 456 - SETTEMBRE 2016

sa appoggiata. Attualmente le QCM sono dei dischetti

con diametro di circa 7 o 8 mm e riescono a pesare

polveri o particelle di circa 50 milligrammi subendo

una variazione della frequenza che può arrivare a 30

MHz.

La novità introdotta da femtoScale consiste nel realiz-

zare l’elemento oscillante con una sottile membrana

Mems in nitruro di alluminio (AlN) che misura 520 x

710 x 25 µm ed è capace di variare la propria frequen-

za di risonanza fino a 10 MHz e pesare le masse che vi

si appoggiano sopra fino a 22 microgrammi con una

risoluzione di 35 pg/Hz (picogrammi/Hertz), ma a Dal-

las sono in corso sperimentazioni volte a diminuire ul-

teriormente questa soglia innanzi tutto nell’ordine del

microgrammo e poi fin dove sarà possibile. Attorno

alla membrana sensibile si trovano innanzi tutto due

elettrodi collegati al circuito di amplificazione e con-

trollo che sostiene l’oscillazione e poi altri due elettro-

di collegati al circuito di misura della frequenza, che

comprende anche un piccolo stadio di compensazio-

ne della temperatura con rilevatore resistivo (RTD,

Resistive Temperature Detector), necessario per evi-

tare che l’oscillazione dipenda anche dalle fluttuazio-

ni termiche ambientali. Il dispositivo comprensivo di

membrana, elettrodi ed RTD misura 2 x 2 mm e ha il

substrato base di platino, la membrana di AlN e gli

elettrodi e l’RTD in Silicon-on-Insulator (SoI) e biossi-

do di silicio (SiO

2).

Essendo un Mems si può fabbricare

con le attuali tecnologie e la scomparsa del quarzo ne

diminuisce significativamente i costi rispetto alle QCM

pur offrendo nel contempo una sensibilità 2500 volte

migliore che perciò consente di pesare particelle al-

trettanto 2500 volte più piccole.

Prospettive infinite

Il sistema viene rilasciato da femtoScale insieme a

un’apposita Development Board, che permette di

configurare la microbilancia ed effettuare le pesatu-

re anche in condizioni particolarmente impegnative.

Per esempio si possono pesare le particelle inquinanti

nei gas convogliando questi ultimi dentro un apposito

condotto la cui apertura può essere calibrata e adat-

tata alle dimensioni delle particelle da misurare. Simil-

mente si possono anche pesare e quindi rilevare le

microparticelle presenti nei liquidi e questa possibilità

è preziosa per la sensoristica applicata alle biotecno-

logie o al medicale. Trattandosi di una misura in tempo

reale è possibile creare un flusso continuo gassoso o

liquido attraverso il condotto di misura e accorgersi

immediatamente quando passa una particella osser-

vandone anche il peso. Un’applicazione senza dubbio

interessante consiste nella misura precisa delle pol-

veri sottili con diametro sotto i 10 µm tipiche dell’in-

quinamento dell’aria nelle metropoli che ora la TFM

permette di rilevare anche nella categoria delle par-

ticelle “ultra fini”, o Ultra-Fine Particle (UFP), con dia-

metro di appena 100 nm che pare siano dannosissime

per la nostra salute. Ma in quest’ordine di dimensioni

troviamo anche alcune grandi molecole, alcune cellu-

le e i microrganismi come batteri e virus, che possono

quindi essere mescolati con opportuni liquidi o gas

ed essere efficacemente rilevati con le TFM. Sono già

state avviate delle ricerche volte a sviluppare senso-

ri biologici basati sulla microbilancia femtoScale, con

prospettive applicative indubbiamente accattivanti.

Fig. 3 – La possibilità di pesare particelle di una ventina di microgram-

mi consente di usare lamicrobilancia per rilevare le polveri inquinanti

o i microrganismi all’interno dei liquidi o dei gas

Fig. 2 –Rispetto agli oscillatori a cristallo delle QCM il risonatoreMems

della Thin-FilmMicrobalance femtoScale ha una sensibilità 2500 volte

migliore, è molto più piccolo e costa di meno

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