Progettazione e sviluppo di un'elettronica di interfaccia per matrici di sensori tattili piezoelettrici

Abstract

La presente tesi descrive la progettazione e lo sviluppo di un’elettronica di interfaccia custom per l’acquisizione ad alta fedelta di matrici di sensori tattili piezoelettrici in PVDF, destinate ad applicazioni di ` robotica e protesica. Le debolissime correnti generate dal polimero (frazioni di picocoulomb) sono state condizionate tramite una catena a transimpedenza (TIA) in configurazione pseudo-differenziale, che sfrutta un sensore sacrificale per reiettare il rumore di modo comune: la simulazione SPICE ha validato un guadagno di transimpedenza di circa 126 dBΩ e una reiezione efficace con un’escursione dinamica in uscita contenuta in ±190 mV. L’architettura, alimentata da una rete ibrida Charge Pump/LDO a bassissimo rumore e digitalizzata da un convertitore Sigma-Delta (∆Σ) a 24 bit, configurato via software per l’estrazione dei dati a 16 bit al fine di alleggerire il carico sul bus SPI, e stata tradotta in un prototipo ` fisico su PCB a 4 strati di circa 40.52 × 53.5 mm. Il risultato e un’infrastruttura hardware compatta in gra- ` do di fornire un flusso dati robusto a 4 kSPS con campionamento simultaneo, preservando la perfetta coerenza spaziale dell’impronta tattile senza alcuno sfasamento tra i canali.

This thesis describes the design and development of custom interface electronics for the high-fidelity acquisition of PVDF piezoelectric tactile sensor arrays, intended for robotics and prosthetics applications. The extremely weak currents generated by the polymer (fractions of a picocoulomb) were conditioned through a transimpedance amplifier (TIA) chain in a pseudo-differential configuration, which exploits a sacrificial sensor to reject common-mode noise. SPICE simulation validated a transimpedance gain of approximately 126 dBΩ and effective rejection, with an output dynamic swing confined within ±190 mV. The architecture is powered by a hybrid charge pump/LDO network with ultra-low noise and digitized by a 24-bit Sigma-Delta (ΔΣ) converter, software-configured to extract 16-bit data in order to reduce the load on the SPI bus. It was implemented as a physical prototype on a 4-layer PCB of approximately 40.52 × 53.5 mm. The result is a compact hardware infrastructure capable of delivering a robust 4 kSPS data stream with simultaneous sampling, preserving the perfect spatial coherence of the tactile imprint without any phase shift between channels.