Sviluppo di sensori a pixel per la rivelazione di radiazione: dal DII nuove tecnologie per fisica, spazio e imaging medico-industriale

Da oltre dieci anni il Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII) dell’Università di Trento porta avanti lo sviluppo di sensori CMOS a pixel dedicati alla rivelazione di radiazione. Si tratta di una tecnologia versatile, con applicazioni che vanno dalla fisica delle alte energie all’osservazione dello spazio, fino all’imaging medico e industriale.

La ricerca è partita con il progetto SEED (finanziato dall’INFN) e, nel tempo, si è ampliata grazie a diversi finanziamenti nazionali e internazionali (INFN, MUR, ASI, Unione Europea). Il gruppo di ricerca, guidato da Lucio Pancheri, lavora in stretta collaborazione con TIFPA e varie sezioni INFN in Italia. L’obiettivo è adattare i processi CMOS nati per i sensori ottici delle fotocamere digitali, così da renderli adatti a rivelare particelle cariche (come i protoni) e raggi X.

Dalla medicina allo spazio

I sensori sviluppati trovano impiego in contesti molto diversi tra loro, ma tutti di grande rilevanza scientifica e tecnologica:

• Medicina: Proton Computed Tomography, TAC, SPECT
• Osservazione spaziale: rivelazione di radiazione cosmica
• Fisica delle particelle: esperimenti come ALICE al CERN
• Imaging industriale e di ricerca: rivelatori di raggi X

Mentre i sensori CMOS per la luce visibile sono già comunissimi nei dispositivi elettronici di uso quotidiano, l’adattamento alle radiazioni ionizzanti richiede soluzioni specifiche. Rispetto ai sensori ibridi oggi in commercio, i dispositivi integrati sviluppati al DII offrono una risoluzione spaziale superiore, costi più contenuti, minori consumi energetici, assemblaggio semplificato.

Caratteristiche che li rendono una vera tecnologia abilitante in molti campi.

I progetti finanziati (2015–oggi)

Negli anni la ricerca si è concretizzata in numerosi progetti, tra cui:

• SEED (INFN) – sviluppo del processo con una fonderia di silicio commerciale.
• ARCADIA (INFN) – dimostrazione di un sensore a larga area (1 cm²).
• ALICE (CERN) – contributo all’upgrade del rivelatore per LHC, con potenziali applicazioni nei moduli di misura temporale.
• HyPoSicX (PRIN2022) – rivelatori ibridi CMOS/perovskite per applicazioni mediche.
• SpaceItUp! (PNRR-Spazio) – sensori per la misura di radiazione cosmica.
• 1MICRON (EU, EIC Pathfinder Open) iniziato il 31 marzo 2025 – sviluppo di sensori a raggi X ad altissima risoluzione per il rilevamento in tempo reale dei margini tumorali durante gli interventi chirurgici.

Un lavoro di squadra interdisciplinare

Il punto di forza di questi progetti è la capacità di integrare competenze diverse: microelettronica, fisica, ingegneria dei materiali, elettronica dei circuiti, elaborazione dati e medicina. Grazie a questo approccio interdisciplinare, nascono strumenti innovativi e perfettamente calibrati sulle esigenze della ricerca e delle applicazioni avanzate.

Un risultato che testimonia l’eccellenza del lavoro svolto è il premio ricevuto dal dott. Thomas Corradino, formatosi nel PhD in Materials, Mechatronics and Systems Engineering del DII. Nel 2024 ha ottenuto il Gatti Manfredi Radiation Instrumentation PhD Award della IEEE Nuclear and Plasma Science Society – Sezione Italiana, per la migliore tesi di dottorato nel campo della strumentazione per radiazioni.

Uno sguardo al futuro

Il percorso intrapreso dal DII dimostra come ricerca di base, collaborazione interdisciplinare e innovazione tecnologica possano tradursi in strumenti concreti al servizio della scienza, della medicina e dell’industria. I risultati ottenuti finora aprono la strada a nuove applicazioni sempre più avanzate, con l’obiettivo di migliorare la conoscenza dell’universo, rendere più sicuri i viaggi spaziali, supportare la ricerca scientifica e offrire soluzioni innovative per la diagnosi e la cura dei pazienti.
Un impegno che conferma l’Università di Trento come punto di riferimento internazionale nello sviluppo di sensori di nuova generazione.

Le immagini mostrano:

• Fig.1: una fetta di silicio realizzata nel progetto INFN ARCADIA, contenente dimostratori della tecnologia;
• Fig.2: una micrografia di chip estratti, con diverse strutture di test per la calibrazione del processo di fabbricazione e la caratterizzazione dei sensori.