Home
Accesso / Registrazione
 di 

La nuova frontiera della micro e nano elettromeccanica

Diffusione delle microelettronica e l'utilizzo dei sentori intelligenti

Il settore di ricerca e di sviluppo dei sensori è uno tra i più dinamici nello scenario attuale e interessa diversi campi applicativi, in primis quelli industriale, medico, ambientale, dei trasporti e delle comunicazioni. Le tecnologie derivate dalla microelettronica hanno permesso di realizzare sensori con elevati livelli di miniaturizzazione, consumi ridotti e funzionalità complesse ma ha anche messo in evidenza limiti connessi al rispetto di vincoli stringenti sulla tipologia dei materiali adottati e sui processi di lavorazione.

L’intelligenza dei sensori

Altre proposte recenti, anziché concentrarsi sulla misura di una risonanza elettrica, propongono l'utilizzo di tecniche ottiche, per esempio laser, o magnetiche, che sfruttano la legge di Lorentz o l'effetto magnetostrittivo, ovvero la generazione di deformazioni, torsioni o flessioni in microstrutture in silicio. La magnetostrizione è un fenomeno noto da oltre 150 anni e consiste nella deformazione di materiali, come il ferro, in risposta a campi magnetici applicati. Tuttavia, a causa dell'esiguità della deformazione, il fenomeno non ha avuto significative applicazioni, fino all'avvento, negli anni '70, dei primi materiali artificiali, caratterizzati da magnetostrizioni migliaia di volte superiori a quelle dei materiali fino allora conosciuti. Tali materiali, detti a magnetostrizione gigante, hanno stimolato moltissimo la ricerca tecnologica in questo settore.

Infatti, la disponibilità, dagli inizi degli anni '80, di materiali a magnetostrizione gigante, come il Terfenol-D, o più recentemente, altri materiali con accoppiamenti magneto-elastici ancora più consistenti, ma fondati su processi fisici diversi dalla classica magnetostrizione (le leghe a memoria di forma controllate in campo magnetico, Ni-Mn-Ga) e la possibilità di realizzare efficienti algoritmi di controllo, ha dato luogo a un crescente interesse applicativo per questi materiali.

I materiali utilizzati

Poiché nei materiali si manifestano forze di notevole intensità, con elevato rapporto potenza/peso e una rilevante rapidità di risposta in termini dinamici, è possibile realizzare sensori/attuatori "intelligenti" che costituiscono un'area di ricerca per una promettente gamma di applicazioni, quali la misura di microspostamenti e di accelerazioni, il micro-posizionamento, il controllo attivo di strutture vibranti (vibrazioni strutturali e rumore acustico), l'azionamento di elettrovalvole ultra veloci (iniettori, stampanti), il controllo attivo di forma, la realizzazione di freni e smorzatori, le applicazioni robotiche e biomediche (muscoli e protesi artificiali). I materiali utilizzati per la costruzione di dispositivi "intelligenti" sono, oltre ai magnetostrittivi, i piezoelettrici, le leghe e i polimeri a memoria di forma, i fluidi elettroreologici e magnetoreologici, o le leghe Ni-Mn-Ga (Msma, magnetiche a memoria di forma).

Ma un diverso punto di vista gli stessi materiali possono anche costituire la parte attiva di sensori di campo dalle caratteristiche innovative. Un aspetto cruciale nello sviluppo di dispositivi di questo tipo è la rilevazione accurata della deformazione, necessaria per chiudere la catena di reazione o per risalire al campo magnetico, a seconda che si tratti di un attuatore intelligente o di un sensore di campo, rispettivamente. Negli ultimi anni la tecnologia dei sensori in fibra ottica e dei reticoli di Bragg in particolare, ha permesso di disporre di sensori di deformazione con elevate prestazioni, in termini di sensibilità, immunità ai disturbi elettromagnetici, bassa intrusività ed elevate caratteristiche di multiplexing, grazie ai quali promette di realizzare sensori di campo "Smart" realmente integrati.

Diversamente dai materiali piezoelettrici (di gran lunga i più studiati), quelli magnetostrittivi e quelli a memoria di forma sembrano essere più promettenti, in termini d'applicabilità a breve termine, come confermato dal crescente numero di aziende sorte negli ultimi anni e impegnate nella loro produzione. Il maggior problema di sensori/attuatori realizzati con questi materiali, consiste nel comportamento intrinsecamente non lineare e con isteresi, che complica in modo rilevante il progetto del sistema di controllo del dispositivo stesso. La compensazione dell'isteresi potrebbe facilitare la progettazione dei dispositivi e migliorarne le prestazioni complessive, ma richiede una capacità di modellare accuratamente tali sistemi con isteresi e i modelli presuppongono a loro volta accurate caratterizzazioni sperimentali dei materiali e adeguati sistemi di misura delle grandezze coinvolte (campo magnetico e deformazione). Inoltre, lo sviluppo del dispositivo necessita della definizione di procedure d'identificazione e di efficienti algoritmi di compensazione e controllo, dell'analisi elettromagnetica e meccanica dei dispositivi.

Fase di controllo ed elaborazione

Lo specifico problema del controllo di dispositivi "smart" e le prestazioni richieste, (attuatori a larga banda, sensori con capacità di elaborazione dati embedded, ecc.), impongono lo sviluppo di architetture di controllo e di elaborazione e filtraggio dati dalle prestazioni molto elevate, ricorrendo all'impiego di tecnologie elettroniche o informatiche mature che possano permettere di realizzare sistemi di controllo embedded e distribuito di elevate prestazioni. In questo caso le tecnologie più utilizzate sono quelle basate su controllori a logica programmabile, che permettono di usare protocolli di comunicazione standard per le reti di controllori impiegate in ambito industriale, come ad esempio le reti Can o Foundation Fieldbus.

Per realizzare attuatori "smart" e sensori di campo basati su materiali magnetostrittivi o Msma è fondamentale la scelta di sensori di deformazione aventi una minima influenza sulle proprietà magneto-elastiche e meccaniche del materiale attivo. La tecnologia dei sensori in fibra ottica permette di integrare il dispositivo di acquisizione all'interno di strutture alterandone al minimo le caratteristiche meccaniche anche monitorando punti inaccessibili ad altri tipi di sensori. Sono anche in grado di effettuare misure simultanee multiparametro, resistendo bene in condizioni operative ostili e hanno il vantaggio di poter utilizzare il medesimo supporto fisico (la fibra stessa), sia per la trasmissione che per la trasduzione del segnale, con eccellenti proprietà d'immunità alle interferenze elettromagnetiche. I sensori a reticolo di Bragg presentano anche eccellenti proprietà di sensibilità, risoluzione, banda passante e, cosa che non guasta, costi competitivi. Tali sistemi sono ampiamente impiegati in reti di dispositivi, particolarmente utili per sensori di campo multipunto e distribuiti. Recentemente è stata proposta una soluzione di sensore di campo e corrente elettrica a un solo punto di misura, basato sull'utilizzo di materiali magnetostrittivi e reticoli di Bragg, che dimostra le potenzialità di tale approccio.

 

 

Scrivi un commento all'articolo esprimendo la tua opinione sul tema, chiedendo eventuali spiegazioni e/o approfondimenti e contribuendo allo sviluppo dell'argomento proposto. Verranno accettati solo commenti a tema con l'argomento dell'articolo stesso. Commenti NON a tema dovranno essere necessariamente inseriti nel Forum creando un "nuovo argomento di discussione". Per commentare devi accedere al Blog

 

 

Login   
 Twitter Facebook LinkedIn Youtube Google RSS

Chi è online

Ci sono attualmente 16 utenti e 66 visitatori collegati.

Ultimi Commenti