Periodico bimestrale
Anno XX, numero 91
marzo-aprile
ISSN 1128-3874
METODOLOGIA

Strutture affidabili e sistemi indossabili progettati con la simulazione multifisica

Valerio Marra

I tecnici di STMicroelectronics si affidano alla simulazione numerica per ottimizzare le loro soluzioni basate su dispositivi a semiconduttore e utilizzate per una grande varietà di applicazioni.

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Figura 1: Geometria del sensore integrato per il monitoraggio delle condizioni di una struttura. Il sensore è evidenziato in blu.

La crescente domanda di componenti elettrici miniaturizzati e dispositivi per l’Internet of Things (IoT) crea continuamente nuove sfide per chi progetta microdispositivi come attuatori, controller, driver, sensori e trasmettitori. Dai “responsive equipment” ai dispositivi indossabili di monitoraggio, fino all’illuminazione a efficienza energetica per gli uffici e all’automazione nel manifatturiero, i tecnici devono rendere compatibili i componenti microscopici con il mondo macroscopico, creando prodotti affidabili e innovativi. Questa distanza da colmare ha motivato i tecnici a trovare nuove soluzioni, elaborando le proprie idee nel contesto virtuale della simulazione numerica.
STMicroelectronics, uno dei leader mondiali nella progettazione e nella produzione dei semiconduttori, conta 7500 dipendenti impegnati nell’area di ricerca e sviluppo. Lucia Zullino, Technology R&D engineer in STMicroelectronics, racconta il loro lavoro: “Nel nostro campo, è necessario analizzare strutture molto piccole e studiare la loro interazione con package di grandi dimensioni in diverse configurazioni, per un’ampia varietà di ambienti e applicazioni”.
Per chi produce semiconduttori, la scelta del materiale e del progetto è delicata. È qui che la simulazione gioca un ruolo importante per la valutazione dei materiali e per i parametri delle prestazioni. “Molto del nostro lavoro viene effettuato attraverso il software COMSOL Multiphysics®, che utilizziamo per la validazione delle nostre ipotesi e per l’ottimizzazione dei prodotti”, spiega Zullino. “In STMicroelectronics Italia ci sono circa 30 persone che utilizzano questo software; sebbene apparteniamo a dipartimenti diversi e ci troviamo in aree fisicamente lontane, non cessiamo mai di ampliare e condividere la nostra esperienza riguardo alle tecniche di modellazione matematica, che usiamo in molti progetti”.

La simulazione multifisica per la ricerca e per la progettazione

La simulazione viene utilizzata per comprendere le interazioni multifisiche in ogni fase del processo di sviluppo di molti prodotti. Alcuni esempi sono l’ottimizzazione di un reattore epitassiale per accelerare la produzione di wafer, il controllo della distorsione di un flusso reagente nel processo di attacco chimico e lo studio, a livello microscopico, dell’interazione tra la piastrina di silicio e il package nel quale viene inserita. Oltre alla progettazione e alla produzione di microchip, i tecnici in STMicroelectronics lavorano al progetto di attuatori miniaturizzati come i microspecchi, che vengono utilizzati nei sistemi di riconoscimento che richiedono ottiche e dispositivi fotografici.Un altro esempio di progetto nel quale è stata utilizzata la simulazione multifisica riguarda lo studio del funzionamento di testine di stampa e il confronto di dispositivi che sfruttano due diversi principi di funzionamento: lo spostamento dell’inchiostro attraverso bolle generate dalla pressione, oppure l’utilizzo di una membrana azionata da PZT, un materiale ceramico piezoelettrico composto da piombo-zirconato di titanio. Grazie a questo lavoro i ricercatori hanno potuto determinare che le testine dotate di un sottile strato di piezo offrono una migliore compatibilità con un’ampia gamma di inchiostri e garantiscono una maggiore velocità, una qualità di stampa superiore e una maggior durata delle testine stesse.

Monitorare le condizioni del calcestruzzo

Enti statali e aziende implementano sensori basati su diverse tecnologie per monitorare l’evoluzione delle prestazioni del calcestruzzo nel corso degli anni. Nell’ambito di un progetto di sviluppo, si è utilizzata la simulazione per analizzare le proprietà del calcestruzzo e prevedere la capacità di un sensore incorporato nel materiale (Figura 1) di monitorare i cambiamenti dovuti all’invecchiamento e rimandare un segnale in superficie. Questo sistema di monitoraggio della “salute strutturale” (Structural Health Monitoring, SHM) è già stato implementato in Italia. Viene utilizzato in diverse strutture per valutare le condizioni del calcestruzzo e registrare i danni causati da qualsiasi sollecitazione inattesa che possa influenzare l’integrità strutturale e l’affidabilità del sistema.

Dispositivi indossabili per il monitoraggio medico

Negli anni, STMicroelectronics ha sviluppato molte applicazioni nell’ambito del medicale. Nell’ambito di un progetto pilota, è stato concepito un cerotto per misurare la bioimpedenza di un organo (per esempio il cuore) all’interno del corpo umano (Figura 2).

Figura 2: Tecnica utilizzata per misurare la bioimpedenza di un organo.

 

 

Figura 3: Modello 3D creato a partire da immagini di tomografia computerizzata (TC, a sinistra), elaborata con strumenti CAD (al centro) e poi interpolata per generare i volumi (a destra) necessari per l’analisi.

 

Figura 4: Risultati della simulazione che mostrano il potenziale elettrico e la distribuzione di corrente in un torace umano.

Partendo dalla diagnostica per immagini degli organi umani, i ricercatori hanno creato un modello 3D (Figura 3) per effettuare una simulazione AC/DC nel dominio della frequenza (Figura 4) e determinare l’effetto della forma e della posizione dell’elettrodo sui parametri fisiologici misurati. I risultati ottenuti dalla simulazione (Figura 5) si sono rivelati in ottimo accordo con le misure sperimentali e hanno consentito lo sviluppo, in diverse configurazioni, di un cerotto indossabile capace di rilevare cambiamenti fisiologici. Questi sensori permetteranno ai medici di effettuare monitoraggi per diverse malattie cardiache, ottenendo dati in tempo reale, e di offrire le migliori cure ai pazienti grazie alla tecnologia più avanzata.

 

Figura 5: Confronto tra valori di bioimpedenza misurati e simulati (in alto) con elettrodi di diversa forma e in diverse posizioni (sopra).

Affrontare una complessità sempre maggiore grazie alla simulazione

“Grazie alla simulazione abbiamo acquisito conoscenze riguardo potenziali problemi e abbiamo trovato soluzioni migliori per ottimizzare i dispositivi a semiconduttore che saranno utilizzati nel mondo esterno”, commenta Zullino; insieme ai suoi colleghi, vede l’opportunità di continuare a usare la simulazione multifisica in tutti gli aspetti dello sviluppo e rivela che sono già in corso studi sull’umidità all’interno del package e sulla possibilità di corrosione.
“Possiamo valutare materiali e strutture più rapidamente e selezionare i migliori: questo significa meno tempo speso per i test, decisioni tecniche più fondate e scelte di mercato più veloci”, conclude Zullino. “Rispetto alle prove fisiche, possiamo implementare nuove soluzioni e verificarle a costo zero. La simulazione rappresenta uno degli strumenti chiave che indirizzano l’innovazione”.


Tratto dalla rivista “Multiphysics Simulation 2018”.

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