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Rilevamento e monitoraggio: perché i sensori piroelettrici hanno preso il posto dei PIR.

Rilevamento e monitoraggio: perché i sensori piroelettrici hanno preso il posto dei PIR?

I sensori piroelettrici a film sottile sono una soluzione rivoluzionaria nel campo della tecnologia di rilevamento. Questi sensori sfruttano le proprietà uniche dei materiali piroelettrici e offrono elevate sensibilità, tempi di risposta rapidi e fattori di forma estremamente ridotti. In questo articolo, esploreremo il principio di funzionamento, le principali applicazioni e le caratteristiche che differenziano i sensori piroelettrici a film sottile di Broadcom dai concorrenti sul mercato.

Applicazioni principali dei sensori piroelettrici a film sottile

I sensori piroelettrici a film sottile hanno un’ampia gamma di applicazioni. Uno dei settori in cui trovano impiego è il monitoraggio ambientale, in cui vengono utilizzati per il controllo della temperatura, il rilevamento delle fiamme e il controllo del clima. Possono contribuire alla sicurezza e al benessere degli ambienti interni ed esterni.

Un’altra applicazione comune è il rilevamento e il monitoraggio dei gas. I sensori piroelettrici a infrarossi convertono la radiazione infrarossa emessa dai gas in segnali elettrici che possono essere elaborati da dispositivi elettronici. Questi sensori vengono utilizzati per il rilevamento di gas tossici, infiammabili e refrigeranti. Possono essere impiegati in applicazioni industriali, domestiche e mediche.

I sensori piroelettrici a film sottile sono anche utilizzati per il rilevamento delle fiamme. La radiazione infrarossa emessa dalle fiamme viene rilevata dai sensori, che offrono tempi di risposta più rapidi e maggiore precisione rispetto ai tradizionali rilevatori di fumo o calore. Questi sensori sono ampiamente utilizzati nei dispositivi antincendio, nelle case intelligenti e nei sistemi di controllo dei processi.

L’automazione industriale è un altro ambito in cui i sensori piroelettrici a film si dimostrano particolarmente utili. Dal rilevamento dei punti caldi (hotspot) nei macchinari, al monitoraggio della dissipazione del calore nei processi produttivi, questi rilevatori svolgono un ruolo cruciale nel garantire l’efficienza operativa e nel prevenire i guasti alle apparecchiature.

Altre possibili applicazioni riguardano il campo dei sistemi di sicurezza, in cui i sensori possono essere utilizzati per il rilevamento della presenza umana, il rilevamento del movimento e il rilevamento delle intrusioni. Nella diagnostica medica, questi sensori offrono un mezzo non invasivo per misurare la temperatura corporea, facilitando il rilevamento precoce della febbre o di fluttuazioni anomale della temperatura. Possono anche essere integrati in dispositivi indossabili per il monitoraggio continuo della salute, consentendo applicazioni sanitarie personalizzate e di telemedicina.

In Figura 1 è visibile una selezione di sensori piroelettrici a film sottile prodotti da Broadcom.

Figura 1: Selezione di sensori piroelettrici Broadcom in contenitore TO-39 (Fonte:Broadcom).
Figura 1: Selezione di sensori piroelettrici Broadcom in contenitore TO-39 (Fonte:Broadcom)

Quali problemi di progettazione risolvono i sensori piroelettrici a film sottile?

I sensori piroelettrici a film sottile risolvono diversi problemi di progettazione, tra cui:

  • La necessità di rilevare piccole variazioni di temperatura, movimento o radiazione infrarossa.
  • La necessità di ottenere una rilevazione quasi istantanea degli eventi.
  • La necessità di integrare i sensori in dispositivi compatti e portatili.

Perché usare i sensori piroelettrici?

Fino ad oggi, i tecnici utilizzavano principalmente sensori di movimento a infrarossi passivi (PIR) per applicazioni di rilevamento. I sensori PIR sono relativamente economici e facili da installare, ma hanno una serie di limitazioni, tra cui:

  • La sensibilità limitata alle variazioni di temperatura.
  • I tempi di risposta relativamente lenti.
  • La difficoltà di rilevare movimenti a breve distanza o in presenza di luce.

I sensori piroelettrici offrono una serie di vantaggi rispetto ad altre tecnologie di rilevamento (PIR inclusi), tra cui:

  • Elevata sensibilità: i sensori piroelettrici possono rilevare anche piccole variazioni di temperatura, movimento o radiazione infrarossa.
  • Tempi di risposta rapidi: i sensori piroelettrici possono fornire una rilevazione quasi istantanea degli eventi.
  • Fattore di forma ridotto: i sensori piroelettrici sono adatti all’integrazione in dispositivi compatti e portatili.

Inoltre, hanno la capacità di rilevare movimenti a breve distanza e in presenza di luce.

Sensori piroelettrici innovativi

Broadcom offre una vasta gamma di rivelatori piroelettrici a film sottile analogici e digitali. I sensori analogici sono disponibili in package TO-39 oppure SMD e sono comunemente utilizzati per il rilevamento di lunghezze d’onda da 2 a 14um.

I sensori digitali della serie ezPyro combinano alta qualità dei sensori con un’elevata integrazione elettrica configurabile, il tutto in un compatto contenitore SMD. Questi sensori sono altamente affidabili e vengono utilizzati in diverse applicazioni di rilevamento, come gas, fiamme, alimenti e refrigeranti.

I sensori piroelettrici di Broadcom si distinguono per la loro precisione, sensibilità e stabilità nel rilevamento delle variazioni di temperatura, movimento e radiazione infrarossa. Offrono anche un elevato rapporto segnale/rumore, che consente una misurazione accurata anche in condizioni di bassa intensità del segnale. Inoltre sono progettati per essere facili da integrare in sistemi esistenti, grazie alla loro compatibilità con interfacce standard e alla disponibilità di documentazione tecnica dettagliata.

L’elevata gamma dinamica dei sensori ezPyro consente di rilevare fiamme di piccole e grandi dimensioni, nelle vicinanze oppure a grandi distanze. Questi sensori integrano una lettura digitale in modo corrente che offre un’elevata reattività sull’intera gamma di frequenza della fiamma (3-30 Hz). Il guadagno e il filtraggio programmabili offrono un’elevata flessibilità durante la progettazione del sistema, mentre la comunicazione attraverso interfaccia I2C standard consente il controllo e la calibrazione del sensore tramite un comune microcontrollore. I sensori ezPyro di Broadcom offrono elevata durata e stabilità delle prestazioni nel tempo senza richiedere alcuna manutenzione.

Applicazione: il rilevamento di gas refrigeranti

Un’importante applicazione dei sensori piroelettrici è il rilevamento ottico a infrarossi delle perdite di gas refrigeranti. Le più recenti normative stanno determinando l’abbandono dei refrigeranti con caratteristiche di riscaldamento globale più elevate, come i clorofluorocarburi (CFC), gli idroclorofluorocarburi (HCFC) e gli idrofluorocarburi (HFC), per passare a gas refrigeranti meno dannosi per l’ambiente. Questi ultimi, tuttavia, hanno lo svantaggio di essere maggiormente infiammabili.

Il rilevamento dei gas a infrarossi è oggi la tecnica più diffusa per il rilevamento dei nuovi refrigeranti a basso GWP. I rivelatori piroelettrici a film sottile di Broadcom utilizzano la tecnica di rilevamento dei gas NDIR, che include un emettitore IR, un rilevatore e una cella di gas. La linea di prodotti Broadcom per rivelatori piroelettrici è in grado di gestire i nuovi gas refrigeranti con l’introduzione di un filtro appropriato.

In questo ambito, la serie di sensori digitali ezPyro consente di ridurre significativamente il costo complessivo della distinta base. Il circuito di lettura standard può essere sostituito da un singolo microcontrollore (MCU) collegato all’ezPyro tramite l’interfaccia di comunicazione I2C. I parametri del rilevatore, come il filtraggio del segnale, il campionamento, la regolazione del guadagno e altro ancora, possono essere impostati e controllati dal microcontrollore. Ciò è possibile grazie a un ASIC integrato che Broadcom ha progettato per questa applicazione. Lo schema a blocchi del sensore ezPyro è visibile in Figura 2.

Figura 2: Schema a blocchi del sensore digitale SMD ezPyro (Fonte: Broadcom).
Figura 2: Schema a blocchi del sensore digitale SMD ezPyro (Fonte: Broadcom)

Qualche curiosità sui sensori piroelettrici a film sottile

I sensori piroelettrici a film sottile si basano sull’effetto piroelettrico, che è la capacità di alcuni materiali cristallini polarizzati elettricamente di modificare la loro polarizzazione in risposta alle variazioni di calore. Questo cambiamento nella polarizzazione genera una tensione rilevabile attraverso il cristallo. I sensori piroelettrici sfruttano questa proprietà per convertire l’energia termica in segnali elettrici. Sono costituiti da un film sottile di materiale piroelettrico depositato su un substrato.

Per sfruttare il potenziale dei materiali piroelettrici, sono state sviluppate diverse tecniche di fabbricazione. La deposizione fisica da vapore (PVD), la deposizione chimica da vapore (CVD) e il processo sol-gel sono alcuni tra i metodi maggiormente utilizzati per la creazione di film sottili con proprietà piroelettriche. Queste tecniche consentono di controllare con precisione lo spessore del film, la composizione e l’orientamento dei cristalli, ottenendo rivelatori altamente sensibili.

Uno sviluppo significativo di questi sensori è avvenuto attraverso l’integrazione con la tecnologia a semiconduttore complementare a ossido di metallo (CMOS). Ciò ha permesso la realizzazione di rilevatori compatti, sensibili e con basso assorbimento di corrente, aprendo la strada a numerose applicazioni

Inoltre, i progressi compiuti nelle tecnologie di fabbricazione, hanno permesso lo sviluppo di rilevatori piroelettrici composti da più elementi di rilevamento, detti canali. La scelta tra sensore a canale singolo o multiplo dipende dalla specifica applicazione e dai requisiti di prestazione richiesti. I sensori a singolo elemento sono costituiti da un’unica pellicola piroelettrica, mentre quelli a più elementi incorporano una serie di elementi di rilevamento, che consentono una maggiore risoluzione spaziale e la capacità di seguire il movimento in più direzioni contemporaneamente.

Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.