Tecnologie dell'informazione e della comunicazione

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Caratterizzazione di sistemi di misura basati su visione

Descrizione: Le attività di ricerca in questo ambito sono state orientate sia allo studio ed allo sviluppo di metodologie per la caratterizzazione metrologica dei sistemi di misura basati sulla acquisizione di immagini, sia alla progettazione ed alla messa a punto di sistemi di misura di questo tipo per applicazioni specifiche. E’ stato condotto uno studio della propagazione della incertezza di misura attraverso gli stadi di acquisizione ed elaborazione di un sistema di misura basato su visione artificiale. L’attenzione è stata rivolta, innanzitutto, alla fase di acquisizione della immagine, con la messa a punto di un modello in grado di determinare il valore della incertezza di un singolo elemento della immagine con una valutazione della incertezza di categoria B (non statistica, dunque applicabile ad una singola immagine acquisita). Tale modello tiene conto di grandezze di influenza tipiche di un contesto industriale e richiede la conoscenza di alcuni coefficienti per determinare i quali si richiede la soluzione di un problema di ottimizzazione, per il quale è stata proposta e verificata sperimentalmente una soluzione approssimata, applicabile anche in ambienti di tipo industriale. Successivamente, l’attività di ricerca si è orientata allo studio della propagazione dell’incertezza attraverso la cascata di algoritmi che consentono di determinare misure di parametri dimensionali di oggetti inquadrati. Particolare interesse è stato rivolto alla caratterizzazione di sistemi di ispezione industriale basati su visione stereoscopica, ottenuta grazie alla messa a punto di un prototipo di laboratorio di una stazione di misura stereo, grazie alla quale sono state confrontate le prestazioni metrologiche ottenibili con diverse metodologie. Insieme alla attività di ricerca finalizzata alla caratterizzazione metrologica dei sistemi di misura stereoscopici, è stata anche caratterizzato un sistema di visione stereoscopica reale, sviluppato in precedenza per la misura di parametri dimensionali di trafilati in gomma prodotti per l’industria automobilistica.

Ricercatori coinvolti: Antonio Pietrosanto, Consolatina Liguori, Giuseppe Di Leo

Calibrazione e caratterizzazione di scanner 3-D a luce strutturata

Descrizione: Gli scanner 3-D stanno diventando sempre più diffusi in vari settori applicativi: attualmente sono impiegati, ad esempio, nella rappresentazione digitale di volti umani, di quadri, statue, di manufatti o incisioni rupestri. L’attività di ricerca è stata dedicata alla definizione di procedure di calibrazione per scanner 3D a luce strutturata più flessibili rispetto a quelle disponibili in letteratura, in termini di possibilità di applicazione in ambienti esterni e non solo in laboratorio, pur mantenendo buone prestazioni in termini di accuratezza. Un primo studio ha portato alla messa a punto di una procedura di calibrazione che richiede l’illuminazione e la acquisizione di immagini di soli 3 oppure 2 piani di calibrazione, con una notevole riduzione del tempo necessario alla calibrazione stessa e della complessità realizzativa dell’oggetto di calibrazione. Successivi sviluppi di questo filone di ricerca hanno portato a definire e caratterizzare una procedura di calibrazione della coppia telecamera – proiettore presente in uno scanner 3-D a luce strutturata che si riconduce alla calibrazione della coppia di telecamere di un sistema di misura stereoscopico. L’aspetto innovativo di questa proposta di procedura di calibrazione consiste nel fatto che essa consente di determinare i parametri estrinseci ed intrinseci sia della telecamera che del proiettore in una sola sessione di calibrazione, consentendo di estendere agli scanner 3D gran parte dei risultati già noti in letteratura, accurati e consolidati, per i sistemi di visione stereoscopici. Più recentemente, l'attività di ricerca è stata orientata alla definizione di procedure di auto-calibrazione (cioè di calibrazione in assenza di un target noto) per una coppia telecamera - proiettore. Per approfondimenti, foto, download e aggiornamenti, si consultino le pagine del Gruppo di Ricerca Misure (in inglese).

Ricercatori coinvolti: Maurizio Bevilacqua, Marco Landi, Consolatina Liguori

Analisi dei segnali con sistemi numerici

Descrizione: Questa linea di ricerca è stata rivolta allo studio e allo sviluppo di una metodologia per la correzione degli effetti sistematici e per la valutazione dell'incertezza dei risultati di misurazione ottenuti dalla elaborazione digitale dei segnali nel dominio della frequenza. Le soluzioni proposte sono state realizzate su architettura basata su processore DSP, al fine di valutare possibili applicazioni nella strumentazione numerica, e per poter effettuare una caratterizzazione metrologica sperimentale dei sistemi di misura implementati. Partendo dalle tecniche di FFT interpolata FFT (IFFT) note in letteratura, sono state sviluppate metodologie per la valutazione di incertezza applicando la legge di propagazione dell'incertezza (ISO-GUM) attraverso algoritmi di elaborazione. La soluzione proposta è stata applicata alla diagnosi dei guasti delle macchine rotanti mediante l'analisi dello spettro di vibrazione: lo spettro del segnale acquisito da un accelerometro solidale con la macchina è costantemente confrontato con lo spettro unfalty che si osserva nel normale funzionamento. L'osservazione di variazioni nello spettro osservato aiutano a diagnosticare l'insorgenza precoce di guasti, e l'analisi del segnale nel dominio della frequenza consente di classificare il guasto in una delle possibili classi di guasto previste. Il sistema sviluppato è stato caratterizzato in termini di tempo di risposta. Le successive fasi delle attività di ricerca sono state rivolte allo sviluppo di tecniche per la correzione degli effetti di interferenza armonica sulla stima dei parametri di una data componente spettrale dovuti alla presenza delle altre componenti spettrali del segnale stesso. Una procedura, che abbiamo chiamato IFFTc, per la correzione degli effetti di interferenza armonica è stata sviluppata, implementata su una architettura DSP e caratterizzata. La procedura per la valutazione delle incertezze di stime di parametro è stato sviluppata anche per l'algoritmo IFFTc. Infine, la ricerca è stata dedicata allo sviluppo di una procedura per il rilievo della ampiezza di eventuali toni nascosti, cioè di componenti spettrali che non vengono rilevate come massimi locali dello spettro di ampiezza poiché sono nascoste da componenti spettrali vicine di ampiezza maggiore. Ulteriori ricerche in corso in questo campo riguardano lo sviluppo di un metodo per la rilevazione di componenti spettrali di frequenza molto bassa nei segnali prodotti dal movimento delle sospensioni di motociclette provviste di sistemi di sospensione magneto-reologici. Per approfondimenti, foto, download e aggiornamenti, si consultino le pagine del Gruppo di Ricerca Misure (in inglese).

Ricercatori coinvolti: Consolatina Liguori, Antonio Pietrosanto

Nanosistemi di Ottica Quantistica e Atomica per lo sviluppo di protocolli di Informazione Quantistica

Descrizione: L'efficienza delle tecnologie di comunicazione e, in prospettiva, la potenza di calcolo vengono enormemente accresciute utilizzando nanosistemi (fotoni, atomi) che sfruttano le correlazioni quantistiche. Infatti, le risorse costituite da piu' sistemi tra loro collegati tramite l'"entanglement quantistico" permettono di aumentare le prestazioni nelle telecomunicazioni, e forniscono una sorta di "calcolo parallelo" in grado di risolvere problemi di calcolo numerico non risolvibili utilizzando dispositivi basati sulla fisica classica. L'attività da me svolta riguarda l'implementazione di risorse quantistiche, basate sull'ottica quantistica, sui sistemi atomici, o su sistemi quantistici a molti corpi, che ottimizzino le prestazioni in protocolli di informazione quantistica, in metrologia quantistica, e nell'ambito della computazione quantistica. Tale attività prevede anche la progettazione di dispositivi sperimentali per la generazione di tali risorse, con la collaborazione di gruppi sperimentali di ottica quantistica ed di atomi freddi.

Ricercatori coinvolti: Fabrizio Illuminati, Marco Salvatore Giampaolo, Daniela Buono, Fabio Dell'Anno

Progettazione, caratterizzazione e modellistica di dispositivi e circuiti elettronici per applicazioni di potenza

Descrizione: La crescente attenzione alla preservazione dell’ambiente e l’impiego efficace delle risorse energetiche sta determinando un aumento della domanda di sistemi di conversione dell’energia sempre più efficienti. Esempi evidenti sono rappresentati dai sistemi di conversione richiesti per smart-grids di fonti rinnovabili, nei sistemi di controllo dei motori elettrici e dei sistemi di trazione [1]. I dispositivi di potenza rappresentano il cuore di qualsiasi sistema elettronico di conversione dell’energia. Per l’esigenza di gestire con maggiore efficienza le forme di energia in gioco, la soluzione di problematiche connesse al surriscaldamento dei dispositivi e alla loro ridotta affidabilità nei casi di funzionamento in condizioni estreme (per esempio, per il surriscaldamento dei motori AC) diventa talmente stringente da suggerire il ricorso a nuovi materiali e tecnologie emergenti. In questo scenario, altrettanto rilevante si rileva la riprogettazione della circuiteria periferica del sistema, dal momento che presiede al controllo della sezione di potenza fissandone tempi di accensione, di spegnimento e frequenza di funzionamento. La progettazione di System-On-Chip che integri il dispositivo di potenza con il circuito di driver rappresenta una soluzione allettante dal momento che consentirebbe di ridurre interferenze elettromagnetiche, spazio, peso e costo [2] dell’intero sistema elettronico. Il semiconduttore ad ampio band-gap 4H-SiC (politipo-4H del Carburo di Silicio) si è recentemente guadagnato un notevole interesse essendo candidato a risolvere gran parte dei problemi prima segnalati [3]. Confrontato con il Silicio, il Carburo di Silicio permette di realizzare dispositivi che si avvantaggiano della maggiore conducibilità termica del materiale [4], dell’ampio gap, della capacità di resistere a campi elettrici esterni più elevati. Queste proprietà fanno presagire la possibilità i) di realizzare dispositivi capaci di operare a temperature superiori ai 200°C senza far ricorso agli ingombranti sistemi di raffreddamento ii) di realizzare la circuiteria di pilotaggio sullo stesso die od in prossimità dello stesso stadio di potenza iii) di gestire e controllare tensioni di esercizio dell’ordine delle decine dei kV. Per la attuale capacità di crescita di wafers di SiC con 100mm di diametro, dimensione standard per le attuali macchine di processo basate sulla tecnologia del Silicio, ed a costi anche contenuti (0.1€/mm2), le tecnologie microelettroniche basate sul SiC hanno cominciato a ricevere dal 2010 un forte attenzione. Attualmente, gruppi di ricerca hanno dimostrato la fattibilità di circuiti integrati in 4H-SiC, utilizzando tecnologie sia bipolari (BJTs [5]) che unipolari (VJFETs [6]). Tuttavia, come al solito avviene nel campo della microelettronica, nonostante nel corso del 2013 siano stati immessi sul mercato prototipi di dispositivi attivi in 4H-SiC, i fondamenti scientifici del loro funzionamento, la cui conoscenza è basilare per una progettazione rispondente a specifiche di funzionamento, richiedono adeguati approfondimenti. L’attività di ricerca del gruppo di Elettronica a Salerno è interessata alla caratterizzazione statica e dinamica dei dispositivi di potenza realizzati in Silicio ed in 4H-SiC. Dalle indagini condotte su campioni di SiC processati presso il laboratorio di Salerno ed il laboratorio IMM-CNR di Bologna, sono stati sviluppati dei modelli fisici che descrivono la dipendenza di alcuni parametri fondamentali del materiale dal processo di fabbricazione. Tali modelli sono indispensabili per la progettazione di qualsiasi dispositivo in SiC , in quanto consentono di valutare l’impatto di questi parametri (ionizzazione del drogante impiantato, vita media e mobilità dei portatori di carica, riduzione del gap) sulle prestazioni elettriche del dispositivo finale, correlandole alle caratteristiche del processo di fabbricazione. I risultati ottenuti dal gruppo di ricerca riguardano: 1. Lo sviluppo di un modello analitico del comportamento statico e dinamico di diodi p-i-n realizzati in 4H-SiC. Il modello descrive le dipendenze della corrente e della tensione del dispositivo dai parametri fisici (tempo di vita dei portatori, mobilità, ionizzazione, drogaggio) a diverse temperature, le distribuzioni spaziali e temporali dei portatori di carica, della corrente e del campo elettrico lungo la struttura del diodo, sia in condizioni stazionarie che transitorie; 2. Un modello della barriera di potenziale che regola il funzionamento dei JFETs in 4H-SiC e delle caratteristiche di uscita di tali dispositivi. Il modello permette di valutare la barriera in funzione della geometria del dispositivo (profondità dei gates, larghezza di canale, distanza source-gate, livello di drogaggio) ed è in grado di predire con elevata accuratezza la concentrazione dei portatori, minoritari e maggioritari, al variare della barriera, sia in condizioni di equilibrio termodinamico che in presenza di tensioni esterne. La validità del modello è provata dai confronti con strutture di JFETs riportate da altri gruppi e da misure effettuate su strutture di JFETs commerciali; 3. Modellizzazione del crossing-point delle caratteristiche elettriche di diodi p-i-n di potenza in 4H-SiC. Il modello permette di giustificare i valori del coefficiente termico dedotti sperimentalmente da altri gruppi ed i risultati di misure sperimentali effettuate in loco. Il modello, oltre a spiegare le cause della stabilità termica di diodi in SiC ottenuti per impianto ionico, si presenta come importante strumento per la progettazione di diodi in cui sia richiesta la stabilità termica a predefiniti livelli di corrente di esercizio. 4. Realizzazione e caratterizzazione di diodi Schottky in 4H-SiC con materiali non convenzionali (V2O5/4H-SiC). Tali dispositivi hanno mostrato un comportamento quasi-ideale (fattore di idealità di 1.04) ed un’altezza di barriera di 0.8eV. 5. Caratterizzazione del tempo di vita delle cariche nel SiC ad alti e bassi livelli di iniezione. Utilizzando un test pattern dedicato, è stato possibile estrarre la distribuzione spaziale del tempo di vita lungo la regione intrinseca di strutture di diodi p-i-n. [1] Bose “Global energy scenario and impact of power electronics in 21st century” IEEE Trans. Ind. Elec., Vol.60, No.7, 2013. [2] Murari et al., Smart Power ICs: technologies and applications. Springer, 2002. [3] http://www.whitehouse.gov/the-press-office/2014/01/15/president-obama-announces-new-public-private-manufacturing-innovation-in [4] Baliga, Silicon Carbide Power Devices. World Scientific Publishing, 2005. [5] Lanni et al. “500°C bipolar integrated OR/NOR Gate in 4H-SiC” IEEE Elec. Dev. Let., Vol.34, No.9, 1091-1093, 2013. [6] Maralani et al. “The Design o fan Operational Amplifier using Silicon Carbide JFETs” IEEE Trans. on Circ. And Sys., Vo59, No.2, 255-265, 2012.

Ricercatori coinvolti: Gian Domenico Licciardo, Luigi Di Benedetto

Realizzazione, caratterizzazione e modellizzazione di dispositivi elettronici con materiali organici

Descrizione: L’attività di ricerca mira alla comprensione dei meccanismi di conduzione e i processi fisici alla base del funzionamento dei dispositivi elettronici realizzati con materiali non convenzionali, quali polimeri e piccole molecole organiche coniugate, allo scopo di produrre modelli compatti affidabili per la simulazione circuitale. Rispetto ai tradizionali materiali inorganici, i semiconduttori e gli isolanti organici hanno interessanti e singolari proprietà. Importanti vantaggi sono la loro adattabilità a processi a bassa temperatura e da soluzione e la possibilità di regolare le loro proprietà elettriche grazie alla versatilità di sintesi. Tali materiali favoriscono l’introduzione di prodotti di nuova generazione, ovvero di dispositivi avvolgibili e ultrasottili, circuiterie leggere, trasparenti ed estremamente resistenti agli urti, nonché lo sviluppo di nuove promettenti applicazioni. Il lavoro si sviluppa attraverso vari filoni: scelta e caratterizzazione di materiali innovativi, realizzazione e studio di dispositivi elettronici nella geometria a film sottili, introduzione di metodologie di indagine con nuovi modelli elettrici e fisici per i dispositivi organici. Le caratteristiche elettriche dei dispositivi organici sono analizzate in relazione ai parametri di processo, alla morfologia dei film e alle geometrie impiegate, con particolare attenzione ai comportamenti non ideali e con l’obiettivo di ottimizzare le prestazioni. Una parte fondamentale dell’attività di ricerca riguarda, inoltre, lo studio della stabilità elettrica dei materiali organici, fondamentale per l’adozione dei dispositivi organici in applicazioni pratiche. Il gruppo di ricerca ha una consolidata esperienza nella progettazione e caratterizzazione di dispositivi organici innovativi, quali diodi organici emettitori di luce (OLED) e transistori a film sottili organici (OTFT). Inoltre, sono state avviate nuove attività nel settore dei materiali organici per applicazioni fotovoltaiche e sensori e nella progettazione di porte logiche ed etichette di identificazione a radiofrequenza (RFID). I dispositivi organici, depositati sia su substrati rigidi come silicio e vetro sia su plastica flessibile, presentano un’architettura a strati impilati. La tecnologia chiave per la loro realizzazione è quella dei film sottili: ben si adatta alla problematica della riduzione dell’energia di produzione e alla minimizzazione di elementi tossici. Ai metodi tradizionali di deposizione in alto vuoto e ad alte temperature, come la deposizione per evaporazione termica, si affiancano, infatti, tecniche di processo rapide ed economiche, quali spin coating e stampa a getto d’inchiostro. I dispositivi sono completamente realizzati nella camera pulita di classe 100 presente nel nostro laboratorio di Microelettronica. Alcuni dei materiali organici impiegati nella realizzazione dei dispositivi sono appositamente realizzati presso il Dipartimento di Chimica e Biologia dell’Università di Salerno e presso il Dipartimento di Chimica e Centro di Ricerca dei Materiali della Northwestern University di Chicago. L’attività di ricerca è supportata da diversi progetti nazionali che favoriscono strette collaborazioni con numerose aziende e altre università, sia locali sia internazionali.

Ricercatori coinvolti: Alfredo Rubino, Mario Petrosino, Rosalba Liguori

Progettazione di architetture HW per l’elaborazione di immagini e video

Descrizione: L’attività di ricerca svolta nel laboratorio di Microelettronica consiste nella progettazione e sviluppo di architetture di processori ad alte prestazioni per l’elaborazione di immagini statiche e video, con prototipizzazione su FPGA. In collaborazione con STMicroelectronics ed AST, sono stati sviluppati un encoder real-time H.264, un encoder SIFT per applicazioni Visual Search ed un processore per la Inverse Tone Mapping di immagini statiche in formato HDR.

Ricercatori coinvolti: Gian Domenico Licciardo

Componenti

ILLUMINATI FabrizioResponsabile
LICCIARDO GIAN DOMENICOResponsabile
LIGUORI CONSOLATINAResponsabile
PIETROSANTO AntonioResponsabile
RUBINO AlfredoResponsabile

Allegati

Caratterizzazione metrologica di un sistema di misura stereoscopicoFoto di un laboratorio di Ottica QuantisticaOLED