Sensori di estensione a prova di guasto senza consumo di energia

Il team di mechIC ha sviluppato sensori di deformazione che non consumano energia. La produzione avviene in ambiente sterile. © RUB, Marquard

Poiché le strutture dei sensori sono minuscole, ogni granello di polvere potrebbe disturbare. Per questo motivo la produzione avviene in ambiente sterile. Il team indossa abbigliamento protettivo per evitare contaminazioni da peli e cellule della pelle. © Andreas Soika

Con metodi provenienti dalla produzione di microchip, il team mechIC realizza i sensori su dischi di silicio, chiamati wafer. © RUB, Marquard

Una registrazione dettagliata del sensore mechIC, che funziona esclusivamente meccanicamente. © Harald Austenfeld

Il team mechIC da sinistra a destra: Philip Schmitt, Steffen Wittemeier, Lisa Schmitt e Henning Mays. © RUB, Marquard

Per la sua idea di fondazione, un team di Bochum riceve un finanziamento EXIST del valore di 1,34 milioni di euro. La loro tecnologia potrebbe arrivare in tempo per risolvere un problema mondiale imminente.

Per monitorare la sicurezza di ponti, gru, oleodotti, turbine eoliche e molto altro, sono necessari sensori di strain. Gli scienziati di Bochum e Paderborn hanno sviluppato una tecnologia completamente nuova a tal fine. A differenza dei sistemi tradizionali, questa non consuma energia e è praticamente insensibile alla temperatura. Per rendere i sensori pronti per il mercato, il dottor Philip Schmitt, la dottoressa Lisa Schmitt e Henning Mays del Dipartimento di Microtecnologia dell'Università Ruhr, insieme a Steffen Wittemeier, ex allievo dell'Università di Paderborn, stanno preparando la fondazione della startup “mechIC”, prevista per il 2025. Il Ministero federale dell'economia e della protezione del clima li supporta nell'ambito del programma di trasferimento di ricerca EXIST con 1,37 milioni di euro.

Il progetto EXIST è ospitato presso il Dipartimento di Microtecnologia di Bochum, diretto dal Prof. Dr. Martin Hoffmann. Il finanziamento è iniziato il 1° aprile 2024. La squadra è inoltre supportata dal WORLDFACTORY Start-up Center dell'Università Ruhr di Bochum e dall'incubatore Materials.

«Secondo le previsioni, nel 2040 sarà necessario più energia elettrica per il monitoraggio dei componenti di quanto ne possa essere prodotta a livello mondiale», sottolinea Lisa Schmitt sull'importanza dei nuovi sensori. «Per garantire un monitoraggio capillare, è necessaria una svolta.»

Il sistema funziona esclusivamente meccanicamente

Contrariamente ai sensori di strain tradizionali, che funzionano elettricamente, il sistema di mechIC – abbreviazione di mechanical Integrated Circuits – funziona meccanicamente. Il cuore dei sensori è un chip in silicio in grado di percepire deformazioni nell'ordine dei nanometri. Quando il componente da monitorare si espande, una struttura a denti di scalino nel chip si sposta rispetto a un telaio. Più forte è la deformazione, più in basso nel telaio si blocca l'elemento mobile. «In questo modo, possiamo memorizzare meccanicamente le ampiezze di deformazione rilevate», spiega Philip Schmitt.

Il principio di funzionamento è stato sviluppato dal team nel progetto «Ricerca per una nuova microelettronica: sensori passivi a radiofrequenza non convenzionali per il monitoraggio energeticamente autonomo di vibrazioni e scuotimenti», abbreviato UpFuse, finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca presso l'Università Ruhr di Bochum e l'Università di Paderborn.

Dati leggibili tramite smartphone

Con il sensore mechIC, è possibile monitorare continuamente i componenti in tempo reale. I sensori possono essere configurati in modo che attivino un allarme quando viene superata una soglia, oppure possono essere letti quando necessario. A tal fine, un convertitore analogico-digitale micromeccanico trasforma la deformazione meccanica in un segnale elettrico. L'energia per la misurazione e l'elaborazione dei dati viene fornita dalla stessa deformazione e non necessita di alimentazione esterna. Il sistema quindi non richiede batterie. I dati possono essere letti semplicemente tramite un'app per smartphone, progettata in modo che gli utenti possano facilmente adattarla alle proprie esigenze.

I sensori sono di circa cinque per cinque millimetri e possono essere utilizzati per applicazioni di vario tipo. Vengono prodotti con metodi consolidati dell'industria dei semiconduttori. Il team di fondazione prevede di avviare la produzione di serie nel 2026.