L’evoluzione tecnologica dei sensori

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Digitalizzazione, industria 4.0, wearable, diagnostica elettromedicale, guida autonoma e IoT sono solo alcune delle tematiche che negli ultimi anni hanno spinto fortemente la ricerca e l’innovazione del settore tecnologico. Mentre nei decenni precedenti l’evoluzione tecnologica era principalmente legata alla genialità nell'utilizzo di consolidate tecnologie, negli ultimi due decenni sono state introdotte nuove tecnologie e/o migliorate tecnologie considerate inutilizzabili per far fronte alle nuove esigenze. Questa evoluzione nell'ambito tecnologico ha investito soprattutto la sensoristica che è passata dai principi della meccanica, sui quali erano basati principalmente sensori e trasduttori, all'applicazione di nuove tecnologie all’avanguardia. Inoltre, è andata via via crescendo l’applicazione degli “smart sensor”, soprattutto attraverso il consolidamento delle Wireless Sensor Network (WSN).

Introduzione

Oggigiorno, lo sviluppo di sensoristica innovativa che ben si sposa con le esigenze di mercato, è una sfida eccitante seppur difficile. Questo perché, grazie allo stato dell’arte della sensoristica, è possibile non solo acquisire grandezze fisiche “standard” come pressione, temperatura, tensione e via dicendo, ma è anche possibile estendere alle macchine i sensi dell’uomo con tecnologie per vedere (camere di acquisizione, laser per misurare le distanze), sentire (ultrasuoni e membrane sensibili), comunicare attraverso le reti, muoversi. All’inizio del decennio appena concluso si parlava tantissimo dei MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), una tecnologia giovane e ambiziosa, capace di eccitare e motivare i design maestri del silicio ed integrando le competenze di meccanica. Un mondo in miniatura tutto nuovo, da inventare e sperimentare. Dopo un decennio, ciò che sembra innovativo è diventato il pane quotidiano, una tecnologia presente in quasi tutti i device che usiamo ogni giorno. Con la tecnologia MEMS sono realizzati i sensori inerziali dei nostri smartphone, estensimetri per macchine industriali.

Ma il settore MEMS è saturo?

Una domanda che potrebbe nascere e la cui risposta è negativa. Il motivo della galoppata di questa tecnologia nel decennio scorso è dovuto alla sua grande affidabilità e adattabilità ad ogni contesto. Negli ultimi anni sono stati apportati molta innovazione e progressi per ottenere una riduzione delle dimensioni e del costo, ma la strada da fare è ancora lunga. Inoltre, il consolidamento che si è ottenuto di questa tecnologia porterà quest’ultima ad una vasta applicazione in tutti gli ambiti nel decennio che è appena iniziato. Si, forse nel 2030 la considereremo obsoleta ma ora è una delle tecnologie base su cui molte aziende stanno ancora puntando la stragrande maggioranza delle risorse tecniche ed economiche. Ad esempio, l’azienda STMicroelectronics ha annunciato nel 2019 lo sviluppo di sensori di pressione MEMS resistenti all'acqua con caratteristiche di elevata stabilità, precisione e compatibilità chimica per varie applicazioni di natura industriale (parliamo del sensore di pressione STM LPS33HW inserito in un package waterproof). Non a caso, la sensoristica di tipo MEMS è nelle classifiche generali dei trend di mercato dei maggiori produttori e distributori di componentistica elettronica, soprattutto nei settori consumer ed automotive. E le sfide da affrontare ci sono ancora, come l’ottimizzazione dei processi di fabbricazione della tecnologia, lo sviluppo di nuova sensoristica sempre più integrata, la risoluzione dei problemi di calibrazione, consumo energetico e tanto altro.

Dal mondo microscopico al nano

Se nel mondo microscopico sembra quasi tutto realizzato, allora perché non scendere un gradino più giù, a livello nano. Passiamo dunque dai substrati micrometrici del silicio ai nuovi materiali nanometrici e/o organici su cui si concentrano i nuovi studi. La ricerca è motivata da sfide di estrema miniaturizzazione, maggiore sensibilità, maggiore selettività del campo di misura, maggior stabilità. Una delle applicazioni che abbraccia tutte le sfide elencate in precedenza è ricercabile nell’ambito medicale con i sensori denominati nano-FET. Questi sensori nanometrici sono capaci di integrarsi nelle cellule fornendo una misurazione intracellulare con un rilevamento altamente localizzato per quanto concerne lo stato delle cellule viventi ed eventuali relazioni con cellule tumorali o altro. Sono dotati di una nanostruttura a semiconduttore quasi unidimensionale e sfruttano la sensibilità alla presenza di campi elettrici per il rilevamento delle cariche delle molecole.
Oltre ai nano-FET, nel campo nanometrico si considerano comunque tutti quei materiali con almeno una dimensione inferiore a 100 nm. Rispetto alla sensoristica tradizionale o nell’ambito micro, i nanomateriali sono caratterizzati da un rapporto superficie/volume più elevato, di conseguenza migliori prestazioni delle proprietà ottiche, meccaniche, elettriche, strutturali e magnetiche. Con tali tecnologie ci sono tante altre possibili applicazioni come ad esempio:

  • rilevamento di sostanze chimiche nei gas: ad esempio, per la qualità dei prodotti utilizzati in processi chimici che richiedono particolari standard qualitativi oppure il monitoraggio dell’inquinamento;
  • rilevamento di parametri fisici standard a livello localizzato come temperatura, flusso, pressione;
  • monitoring della biologia vegetale per i settori ambientali, agricoli, etc.

La fibra

Tra le tecnologie che sono state più sviluppate nell’ultimo decennio ci sono sicuramente i sensori basati sulle fibre ottiche. Questa tipologia di sensori offre delle caratteristiche uniche come la versatilità geometrica, l’elevata sensibilità, l’immunità ai disturbi elettrici, all’isolamento elettrico, alle temperature e a determinati agenti corrosivi e/o stressanti. In genere, questa tipologia di sensori si suddivide in due grandi macro categorie: sensori di ampiezza o interferometri (sensori di fase). [...]

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