E' difficile stabilire con precisione le tante possibili applicazioni dei sensori. Sono una tecnologia fondamentale per l'Internet delle cose (IoT).
Tre approcci per un minore consumo energetico
Gli utenti dei dispositivi mobili come gli smart watch, gli occhiali per la realtà aumentata o i wearable, spesso desiderano avere batterie che durino più a lungo, design dalle dimensioni ridotte, prodotti meno costosi, ma con più funzioni. Fino ad ora, la capacità delle batterie in tali dispositivi è stata spesso insufficiente per l'alimentazione dei sensori e dei relativi chip di analisi. E se le funzioni supportate dal sensore sono costantemente in uso, i dispositivi hanno bisogno di essere ricaricati con maggiore frequenza. Inoltre, le batterie con migliori prestazioni aprono la strada ad una gamma di applicazioni intelligenti sempre più ampia. Al fine di ridurre il consumo energetico, Lärmer e il suo team a Renningen hanno unito le loro forze a quelle dei ricercatori Bosch di Palo Alto nella Silicon Valley dedicandosi a tre approcci differenti.
Il primo approccio riguarda l'energia generabile dai cambiamenti di pressione, vibrazioni o temperatura ambientale. Come parte del progetto 9D-Sense, finanziato da fondi pubblici, Bosch sta lavorando con alcuni partner per ricercare questo tipo di energy harvesting. Piccole batterie ricaricabili possono conservare anche la più piccola quantità di energia generata in questo modo, per poi trasmetterla ai sensori sul lungo periodo, e il tutto senza manutenzione. Il secondo approccio si interessa invece dei sensori che possono essere programmati per raccogliere e trasmettere i propri dati solo quando strettamente necessario. Se uno smartphone è inutilizzato su un tavolo, per esempio, i sensori non hanno bisogno di essere attivi. Infine, il terzo approccio riguarda l'unità di sensore più piccola e più efficiente al mondo dal punto di vista energetico sviluppata da Bosch. Il piccolo corpo BMI 160 misura 2,5 x 3,0 x 0,8 millimetri include un accelerometro e un sensore di imbardata (giroscopio). In uno smartphone, l'unità di sensore misura, per esempio, la posizione. Può essere presente anche sui tablet e negli smart watch. In modalità operativa, il tipico consumo energetico del BMI 160 è pari a soli 950 microampere che corrispondono a meno della metà degli standard del settore e sono anche un record mondiale. Questo e altri sensori Bosch si possono trovare in tre quarti di tutti gli smartphone del mondo al giorno d'oggi.
Ogni oggetto è capace di raccogliere informazioni
"In futuro quasi tutti gli oggetti della vita quotidiana saranno dotati di sensori. Si tratta di uno sviluppo rivoluzionario che permetterà a quasi tutti gli oggetti di raccogliere informazioni sull'oggetto stesso e l'ambiente circostante. Di conseguenza le possibili applicazioni aumenteranno in modo esponenziale" ha affermato Lärmer. "Ma anche altri aspetti acquistano un ruolo sempre più importante, come la combinazione di diversi sensori e l'integrazione della software intelligence". Un esempio viene dal mondo del benessere. Attraverso la misurazione della pressione atmosferica, un sensore può determinare a quale piano dell'edificio si trova chi lo indossa, mentre un altro sensore registra ogni movimento che sta compiendo la stessa persona. Assieme ai dati provenienti dal piccolo sensore per il battito cardiaco, posto a contatto con la pelle dell'utente, il sensore trasmette automaticamente un profilo fitness che contiene informazioni su quello che lo circonda, come per esempio i cambiamenti della frequenza cardiaca mentre si salgono le scale. Se si desidera, un'app per smartphone può trasmettere il profilo al trainer. Così è possibile anche immaginare applicazioni per screening e diagnosi precoce. "I cambiamenti di valori delle persone possono essere un segnale precoce per individuare malattie come la demenza o difetti della postura. Questi cambiamenti possono essere misurati in modo simile con i sensori MEMS, permettendo di formulare diagnosi e curare le malattie allo stadio più precoce possibile" ha affermato Lärmer. "Non sembra esserci fine alla vasta gamma di possibili applicazioni dei sensori interconnessi. La nostra ricerca esamina queste possibilità".
Gli ultimi ritrovati della tecnica per i sensori "sensibili"
Nel nuovo campus di ricerca a Renningen, vicino a Stoccarda, Bosch sta lavorando al futuro straordinario di questi piccoli componenti. Si sta tentando di renderli ancora più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico, in modo da aprire la strada a nuove applicazioni. Per poter produrre i MEMS è necessario avere a disposizione le migliori condizioni possibili e la stessa cosa vale per i ricercatori delle nuove generazioni di MEMS. Anche il più piccolo granello di polvere può causare gravi problemi allo sviluppo e alla produzione delle strutture dei MEMS. Ecco perché, nel nuovo centro di ricerca, Bosch ha costruito un complesso di "camere bianche" secondo le ultime specifiche tecniche. L'aria dell'intero edificio è sottoposta ad un filtraggio minuzioso, con non più di 370 particelle per metro cubo. Per avere un termine di paragone, basta pensare che un tipico ambiente urbano contiene all'incirca 35 milioni di particelle per metro cubo.
Piccole strutture estremamente sensibili
Durante la produzione dei MEMS strutture microscopiche vengono incise nel silicone. Sul sensore i denti delle piccole strutture a pettine si mescolano. Tali strutture, grandi meno di un quarto dello spessore di un capello, vengono spinte l'una verso l'altra durante il movimento. In questo modo varia la distanza fra i denti generando un cambio nella corrente elettrica nelle strutture a pettine. Tale corrente può essere misurata e calcolata come un segnale elettrico che i sensori sono poi in grado di trasmettere. I sensori MEMS sono estremamente sensibili grazie a questa tecnologia, ha spiegato Lärmer. "In un laboratorio, è possibile utilizzarli in modo abbastanza semplice per misurare la rotazione terrestre". Inoltre, le sottili strutture in silicone sono già capaci di misurare i movimenti di appena 1 femtometro 0.000000000000001 metri (10-15 metri) – all'incirca il diametro di un protone, una delle particelle interne al nucleo degli atomi.
