• liquid sensors
• lithium niobate
• lithium tantalete
• SAW
• shear horizontal wave
• surface acoustic wave
• surface skimming bulk wave

Negli ultimi decenni il campo della sensoristica si è concentrato sulla progettazione di dispositivi sempre più compatti, portatili ed economici, in modo tale da poter eseguire accurate rilevazioni real time e al di fuori di laboratori specializzati. In questo contesto è nata e si è sviluppata la tecnologia lab-on-chip (LoC). Il termine fa riferimento a dispositivi miniaturizzati in grado di integrare in un singolo chip strumenti di analisi e rilevazione tipici di un laboratorio,tra cui: detection di analiti, mixing di reagenti, trasporto e separazione di particelle, controlli di temperatura e pressione. Nell’ambito dei sensori LoC uno dei principali meccanismi di trasduzione e rilevazione è costituito dalla tecnologia basata sulla generazione di onde acustiche. Si tratta di oscillazioni meccaniche la cui componente sensibile è rappresentata da cambiamenti nelle
caratteristiche di propagazione (frequenza e fase) dell’onda stessa, in risposta a perturbazioni esterne. Il grande vantaggio dei sensori ad onde acustiche consiste nel non richiedere l’utilizzo di strumentazione complessa (a differenza dei sensori ottici), riducendo così sia le dimensioni sia i costi dei dispositivi, in modo tale da incrementarne la portabilità mantenendo un’elevata sensibilità di misura. La principale suddivisione delle onde acustiche riguarda la regione in cui è confinata la loro energia: si parla pertanto di onde acustiche di bulk (BAW) e di onde acustiche di superficie (SAW). Le SAW sono onde meccaniche la cui energia rimane confinata prevalentemente sulla superficie del materiale entro cui si propagano, penetrando per circa una lunghezza d’onda all’interno dello stesso. I valori di
lunghezza d’onda possono variare, a seconda delle caratteristiche del dispositivo, in particolare, nel progetto di tesi sono trattati dispositivi con una l compresa tra 20 e 50 um. Il confinamento conduce ad
un’elevata sensibilità nel rilevare perturbazioni che avvengono sulla superficie stessa, una caratteristica che rende questa tipologia di onde acustiche particolarmente adatta per la realizzazione di sensori LoC ad alta precisione. Le SAW a loro volta vengono suddivise a seconda della polarizzazione in: Rayleigh SAW (polarizzazione nel piano sagittale), Shear Horizontal SAW (polarizzazione di taglio parallela alla superficie) e Longitudinal SAW (polarizzazione lungo la direzione di propagazione).
Le differenti SAW vengono scelte a seconda dell’analisi che si vuole effettuare, in particolar modo in base all’ambiente in cui opera il sensore se liquido o asciutto. Ad esempio, il displacement perpendicolare alla superficie delle Rayleigh SAW offre un’elevata sensibilità nella rilevazione di molecole e analiti fino a concentrazioni nanomolari (nM). Tuttavia l’utilizzo delle Rayleigh SAW è limitato al solo ambiente asciutto a causa dello smorzamento che si verifica nelle interazioni
con i liquidi. I sensori in ambiente liquido utilizzano, dunque, onde con polarizzazione shear horizontal e longitudinale, le quali presentano attenuazioni notevolmente inferiori, a discapito di una riduzione della sensibilità. Il lavoro di tesi si concentra sulla progettazione e fabbricazione di
dispositivi ad onde acustiche in grado di operare in ambiente acquoso. Lo scopo consiste nell’esplorare differenti tipologie di onde acustiche nel medesimo substrato piezoelettrico e caratterizzarne il
comportamento in presenza di un liquido. L’obbiettivo finale è rappresentato dalla realizzazione di un device innovativo in cui è presente una regione sensibile alle rilevazioni in ambiente asciutto (effettuata tramite Rayleigh-SAW) ed una regione in cui onde con polarizzazione differente siano in grado di eseguire misure in liquido. Particolare attenzione viene posta alla generazione di modi di oscillazioni definiti Surface Skimming Bulk Waves (SSBW). Si tratta di onde che presentano un comportamento "ibrido" tra una SAW e una BAW: esse infatti vengono prodotte con la stessa geometria planare delle SAW, ma invece che rimanere confinate sulla superficie diffondono all’interno del bulk. La polarizzazione di questo tipo di oscillazioni è prevalentemente parallela alla superficie (shear horizontal o longitudinale) , rendendole ottime candidate per analisi in liquido. In
letteratura le SSBW sono state perlopiù considerate come segnali di noise rispetto all’onda principale, oppure convertite in onde puramente superficiali mediante tecniche di confinamento. Nella tesi è
stato evidenziato il potenziale di queste onde acustiche, aprendo la strada a possibili sviluppi futuri nella sensoristica. Il progetto si articola in tre fasi principali:
• la prima prevede lo studio delle onde acustiche e dei dispositivi presenti in letteratura, focalizzandosi sulle applicazioni
nel campo della sensoristica. Particolare attenzione viene posta
alle relazioni che legano i differenti modi di oscillazione alle
caratteristiche dei materiali scelti.
• la seconda fase consiste nella realizzazione di simulazioni ad
elementi finiti (FEM) dei modelli di dispositivi ad onde acustiche.
Questo approccio consente di ricavare importanti informazioni
sulle tipologie di onde prodotte, come la ricostruzione del loro
displacement, e di definire parametri geometrici (caratteristiche
e orientazione della struttura per produrre onde acustiche) che
verranno adottati in fase di fabbricazione.
• la fase sperimentale consiste nella fabbricazione in camera pulita dei dispositivi e nella loro caratterizzazione sia in ambiente
asciutto che in presenza di liquido. L’analisi delle onde prodotte viene eseguita mediante analizzatore di spettro (VNA)
per verificare la trasduzione del segnale elettrico in oscillazione
meccanica e tramite vibrometro laser doppler (LDV), in grado
di ricostruirne il displacement perpendicolare alla superficie