Michele Calabretta di STMicroelectronics è candidato all’edizione 2016 del premio Innovators Under 35 itala.
di MICHELE CALABRETTA
Michele Calabretta di STMicroelectronics partecipa al concorso Innovators Under 35 Italia con il progetto per infrastrutture civili in cemento dotate di sensori con cui monitorarne lo stato tensionale.
La sicurezza ed il monitoraggio delle infrastrutture civili svolge un ruolo fondamentale nel contesto dell’ingegneria strutturale. Nelle attuali tecniche costruttive, tuttavia, le attività di progettazione, costruzione e collaudo non includono soluzioni tecniche in grado di controllare l’evoluzione temporale dei coefficienti di sicurezza della struttura, né tantomeno la sua affidabilità dopo un evento eccezionale come un terremoto.
Attualmente le grandi opere strutturali in calcestruzzo (ponti, viadotti, stadi, gallerie) sono monitorate per mezzo di sensori esterni (accelerometri, anemometri, ecc…) che, pur estrapolando delle informazioni sullo stato di salute della struttura, non sono in grado di fornirne con precisione lo stato tensionale. Soluzioni più evolute, come l’utilizzo della fibra ottica, risultano essere invece limitate ad un utilizzo di nicchia a causa del costo eccessivo che ne preclude un utilizzo su larga scala.
L’idea di base sulla quale si fonda il progetto Smart Concrete è di adottare le tecnologie proprie della microelettronica alle macrostrutture meccaniche. In particolare, la soluzione proposta è un sistema di sensori in grado di misurare lo stato tensionale all’interno delle varie sezioni di una struttura in cemento al fine di comprenderne il suo “stato di salute” e di poterlo fare ad un costo molto contenuto.
Il sistema sviluppato è una rete di sensori “annegati” nel calcestruzzo: i sensori sono interconnessi attraverso cavi coassiali anch’essi “sepolti” nel cemento. Il sistema consente un posizionamento ben definito di ciascun sensore in modo da avere la lettura dello stato tensionale sugli appropriati punti di controllo, scelti sulla base delle indicazioni progettuali.
La soluzione è “smart” perché il sensore e l’intera elettronica di controllo sono integrati nel chip stesso. Il sistema è privo di batteria e l’energia necessaria al funzionamento è generata grazie ad un sistema di “harvesting” anch’esso integrato all’interno del dispositivo. La potenza è data da un “reader” esterno, che agisce quindi sia da alimentatore che da transceiver per lo scambio dei dati con il sensore. La potenza viene trasferita su ciascun nodo sensibile (i sensori) attraverso il cavo coassiale di collegamento. I dati parzialmente elaborati dalla logica integrata nello stesso chip del sensore vengono poi inviati ad un concentratore per l’elaborazione e l’interpretazione.
Il sensore di pressione è stato sviluppato, con lo scopo di garantire minimi consumi pur garantendo massima precisione ed accuratezza; a tal proposito è stata sviluppata una struttura in silicio a membrana sottile in modo da amplificare opportunamente la sollecitazione meccanica sul dispositivo. In particolare, è stato possibile garantire un consumo di potenza molto ridotto (dell’ordine dei micro watt) attraverso l’utilizzo di “ring-oscillator” la cui frequenza operativa, sfruttando gli effetti piezo-resistivi del silicio, risulta legata alla sollecitazione meccanica.
