• materials characterization
• Passive sensors
• wireless sensors

La presente tesi di dottorato costituisce un'analisi combinata delle proprietà elettromagnetiche e meccaniche di alcuni materiali al fine di poter utilizzare tali materiali per la realizzazione di innovativi sensori di strain e di pressione passivi e completamente wireless. Il lavoro di tesi si è concentrato in una prima parte sulla caratterizzazione di materiali piezoresistivi per la realizzazione di sensori di strain e di materiali soft come il polidimetilsilossano (PDMS) per la realizzazione di sensori di pressione. La caratteristica dei materiali piezoresistivi consiste in un cambiamento dell'impedenza superficiale quando viene applicata una forza di trazione o di compressione mentre per quanto riguarda il PDMS questo mostra una variazione della permittività quando viene soggetto ad una forza meccanica di trazione o di compressione. Dopo una accurata caratterizzazione a radio frequenza di tali materiali si è passati alla realizzazione di sensori completamente privi di componenti elettronici e di batterie. Il primo sensore wireless analizzato è un sensore di strain che sfrutta la combinazione di una superficie selettiva in frequenza (FSS) con un foglio di materiale piezoresistivo. Quando il materiale piezoresistivo viene stretchato si osserva una modulazione dell'assorbimento in corrispondenza del picco di risonanza della struttura. Per quanto riguarda invece i sensori di pressione sono analizzate due diverse configurazioni. La prima sfrutta la combinazione di una FSS con un superstrato poggiato sopra di essa. La FSS è costituita da dipoli metallici con un certo spessore che determinano la presenza di gap d'aria tra essa e il superstrato. L'applicazione di una pressione fa si che i gap vengano parzialmente riempiti e di conseguenza si ha una variazione della permittività che determina uno shift del picco di risonanza. La seconda configurazione analizzata invece consiste in una FSS posizionata su un substrato di PDMS. L'applicazione di una pressione in questo caso determina una variazione dello spessore e della permittività del PDMS che si traduce in uno shift del picco di risonanza. Le variazioni dei picchi di risonanza possono essere utilizzate per costruire le curve di calibrazione di questi sensori.

The present dissertation constitutes a combined analysis of the electromagnetic and mechanical properties of some materials in order to be able to use these materials for the creation of innovative passive and completely wireless strain and pressure sensors. The thesis work focuses in a first part on the electromagentic/mechanical characterization of piezoresistive materials for the realization of strain sensors and of soft materials such as polydimethylsiloxane (PDMS) for the realization of pressure sensors. The property of piezoresistive materials consists in a change of surface impedance when a tensile or compressive force is applied while as regards PDMS this shows a change in permittivity when it is subjected to a mechanical tensile or compressive force. After careful radio frequency characterization of these materials, we moved on to the modelling, design and experimental test of sensors completely free of electronic components and batteries. The first wireless sensor analyzed is a strain sensor that exploits the combination of a frequency selective surface (FSS) with a sheet of piezoresistive material. When the piezoresistive material is stretched, a modulation of the resonant absorption peak of the structure is observed. As regards the pressure sensors, two different configurations are analysed. The first exploits the combination of an FSS with a superstrate resting above it. The FSS is made up of metal dipoles with a certain thickness which determine the presence of air gaps between it and the superstrate. The application of pressure causes the gaps to be partially filled and consequently a change of the effective permittivity which determines a shift in the resonance peak. The second configuration analyzed consists of an FSS positioned on a PDMS substrate which is backed by a metallic ground plane. The application of pressure in this case determines a variation in the thickness and permittivity of the PDMS which also in this case translates into a shift of the resonance peak. The variations of the resonance peaks can be used to construct the calibration curves of these sensors.