Recupero di Energia per l'alimentazione di sensori autonomi e microsistemi (I Parte)

I recenti progressi nella microelettronica, nei sistemi micro-elettro-meccanici MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) e nelle comunicazioni a radiofrequenza (RF) hanno permesso lo sviluppo di sensori e sistemi integrati compatti e ricchi di funzionalità. Tra queste è frequente la presenza di interfacce di comunicazione wireless.

L’eliminazione dei tradizionali collegamenti via cavo per i sensori comporta da un lato indubbi vantaggi, tra cui riduzione di ingombro, peso e relativi costi, maggiore mobilità dei dispositivi fino alla completa portabilità, utilizzabilità in spazi chiusi incompatibili con soluzioni cablate. Tuttavia, con la rimozione dei cavi, il tradizionale percorso per l’approvvigionamento di alimentazione dei dispositivi viene meno. Ciò comporta la necessità di soluzioni alternative e di nuove architetture di sistema.

La soluzione più diffusa è costituita dall’utilizzo di sorgenti di alimentazione a bordo tipicamente costituite da batterie primarie o ricaricabili. Celle a combustibile e microgeneratori a combustione sono ad oggi limitati allo stadio di ricerca. Batterie e sorgenti sopra citate sono fonti a energia finita che richiedono periodiche procedure di sostituzione e smaltimento, o di ripristino mediante ricarica. Ciò rappresenta un notevole problema tecnico e economico che attualmente è considerato tra le principali limitazioni alla diffusione di sistemi di misura e sensori wireless.

Un’alternativa consiste nell’energizzare il sensore per via elettromagnetica durante l’interrogazione da parte di un’unità esterna di lettura del segnale. Si tratta dello stesso principio utilizzato nei dispositivi passivi RFId (Radio Frequency Identification). Il limite di questo approccio è che, in assenza di energia a bordo immagazzinata in batterie o supercondensatori, il sensore è operativo solo in prossimità dell’unità di lettura.

Un approccio completamente differente consiste nel ricavare l’energia necessaria all’alimentazione di sensori e sistemi elettronici prelevandola dall’ambiente circostante. Il recupero di energia, energy harvesting (EH), viene effettuato tramite opportuni convertitori che la prelevano da sorgenti ambientali e la trasferiscono nel dominio elettrico per alimentare il modulo sensore. Il sensore in questo modo diviene autonomo, ossia energeticamente autosufficiente, e acquisisce un’operatività nel tempo virtualmente illimitata senza intervento esterno.

Tra le sorgenti di energia figurano la radiazione solare, l’energia meccanica proveniente da vibrazioni, movimento e flussi di fluidi, l’energia termica sotto forma di gradiente di temperatura, l’energia elettromagnetica di fondo o deliberatamente immessa in una regione di spazio per energizzare dispositivi. Un prospetto puramente indicativo. In generale, per dimensioni di interesse pratico, le potenze sono mediamente comprese tra i 10mW e 10 mW. Livelli così ridotti richiedono opportuni circuiti elettronici di gestione dell’energia e innovative architetture per il condizionamento dei segnali, intrinsecamente robuste rispetto a condizioni di alimentazione variabili e poco prevedibili.

Nel seguito ci si concentrerà su EH da vibrazioni e da gradienti termici, richiamando i principi nella Sezione 2 e presentando nella Sezione 3 alcuni risultati recenti ottenuti presso il laboratorio di Sensori e Strumentazione Elettronica dell’Università di Brescia.

I convertitori meccano-elettrici (ME) da vibrazioni sono tipicamente costituiti da una base, solidale con la struttura vibrante, vincolata a una massa sismica attraverso un elemento elastico. Le sollecitazioni applicate si traducono in un moto relativo tra base e massa sismica e una conseguente deformazione dell’elemento elastico. A seconda del principio di conversione impiegato, il movimento o la deformazione producono una corrispondente uscita elettrica. I principi utilizzati sono essenzialmente tre: a induzione magnetica, elettrostatico e piezoelettrico.

I convertitori a induzione magnetica comprendono un sistema a magnete permanente il cui flusso è concatenato con uno o più avvolgimenti. Avvolgimenti e magnete corrispondono alla coppia base-massa sismica o viceversa, a seconda delle implementazioni. Il moto relativo tra base e massa sismica causato dalle vibrazioni induce ai capi dell’avvolgimento una tensione proporzionale alla variazione nel tempo del flusso magnetico, secondo la legge di Faraday.

I convertitori elettrostatici, o capacitivi, includono una capacità le cui armature sono solidali rispettivamente con base e massa sismica. Assumendo che la capacità sia mantenuta in condizioni di carica costante, il moto relativo tra le armature causato dalle vibrazioni induce tra queste una tensione proporzionale alla variazione nel tempo della capacità. La limitazione fondamentale consiste nella necessità di una condizione di precarica della capacità per attuare la conversione. In alternativa all’uso del sistema in tampone all’alimentazione a batteria, studi recenti hanno proposto l’utilizzo di materiali elettreti per la carica della capacità.

I convertitori piezoelettrici sfruttano l’effetto piezoelettrico diretto secondo cui alcuni materiali rispondono a una deformazione applicata con una carica superficiale indotta. Tipici materiali piezoelettrici sono quarzo, AlN, ZnO, ceramiche ferroelettriche polarizzate della famiglia del PZT (zirconato titanato di piombo), film plastici quali il PVDF (polivinildenfluoruro). Nel convertitore il materiale piezoelettrico costituisce l’elemento elastico che si deforma in risposta alle vibrazioni applicate. Sono possibili differenti configurazioni costruttive le più semplici delle quali si basano su elementi in flessione quali travi a doppio incastro o a estremo libero (cantilever). Grazie all’ampia disponibilità di materiali con proprietà diversificate, i convertitori piezoelettrici sono oggi tra i più promettenti e studiati per il recupero meccano-elettrico sia da vibrazioni, sia da ampie deformazioni, come nel caso delle fibre piezoelettriche in fase di sperimentazione inserite in tessuti o equipaggiamenti per convertire energia dal movimento umano.

In generale, i convertitori ME basati su equipaggio sismico non scalano favorevolmente al diminuire delle dimensioni. Infatti, fissata la densità energetica delle vibrazioni, la potenza disponibile inevitabilmente cala col volume. In aggiunta, convertitori piccoli hanno frequenze proprie tipicamente più elevate delle frequenze associate alle vibrazioni delle sorgenti più diffuse (fino a pochi kilohertz), con un conseguente problema di accoppiamento. I meccanismi di conversione presentati producono l’uscita massima in condizioni di risonanza, mentre operano in condizioni sub-ottime con vibrazioni a ampio spettro o contenuto armonico tempo variante. Per ovviare a questa importante limitazione, la ricerca è attualmente molto attiva nello studio di convertitori innovativi.