Un sensore è un dispositivo in grado di percepire la variazione di una grandezza fisica. Quando si parla di sensore artificiale, s’intende uno strumento in grado di misurare una grandezza non elettrica (spostamento, temperatura, etc.) e di convertirla in una grandezza di tipo elettrico (tensione, corrente, resistenza, etc.). In questo modo è possibile interfacciare il mondo esterno con un sistema elettronico e ciò consente ulteriori elaborazioni.

La sensoristica artificiale ha raggiunto livelli di precisione molto alti e ha innumerevoli applicazioni nella vita quotidiana: lo smartphone ne è un esempio. Negli anni, il cosiddetto “telefono intelligente” ha introdotto sempre più funzionalità aggiuntive grazie all’impiego di diversi dispositivi di questo genere.

Figura 1: Smartphone smontato in cui si possono vedere i componenti interni

Schermo touch screen

Oggi ci sembra banale sfiorare il vetro dello schermo e poter scrivere qualcosa o fare uno zoom, ma è solo dal 1992 – con l’IBM Simon – che esiste un telefono con lo schermo sensibile al tocco.

La maggior parte degli smartphone funziona grazie ad un digitalizzatore capacitivo che sfrutta la conducibilità elettrica delle nostre dita. Ai quattro angoli dello schermo viene applicata una tensione che si propaga su tutta la superficie del vetro grazie ad un sottile strato di ossido metallico: quando un dito o un materiale conduttore sfiorano il display, causano una distorsione del flusso di elettroni presente sulla superficie. La variazione viene poi letta da una matrice di condensatori e in questo modo si localizza il punto esatto del contatto.

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Figura 2: Principio di funzionamento di uno schermo capacitivo. Si nota la tensione applicata ai 4 angoli e la conduttività del nostro dito. [1]
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Figura 3: Principio di funzionamento di uno schermo capacitivo. Si nota la matrice di condensatori. [2]

Accelerometro

Questo è il sensore che permette allo schermo dello smartphone di ruotare quando noi lo giriamo fisicamente. Inoltre permette di contare i passi e stabilizzare la fotocamera. Gli accelerometri utilizzati in questo campo sono di tipo capacitivo, cioè rilevano una variazione di capacità elettrica e per farlo sfruttano due principi fisici fondamentali: la forza d’inerzia e la forza elettrostatica.

Una massa mobile (come in figura 4) è ancorata attraverso delle molle ad una struttura con due piatti caricati elettricamente. Non appena si ha un’accelerazione esterna, la massa si sposta e la distanza con i piatti carichi cambia, così come la forza elettrostatica. Questo segnale viene elaborato elettronicamente fornendo così la misura dell’accelerazione. Le dimensioni di un sistema di questo tipo sono microscopiche: si parla infatti di MEMS (Micro Electro-Mechanical System, figura 5). La larghezza totale di un accelerometro infatti è pari a circa 5-6 capelli messi uno di fianco all’altro (500-600 µm).

Figura 4: Cosa succede quando ruotiamo lo smartphone: forza d’inerzia e accelerazione hanno verso opposto.
Figura 5: Semplice schematizzazione dei principali componenti di un accelerometro MEMS

Altri sensori di simili grandezze sono il giroscopio e il magnetometro, che collaborano con il GPS e l’accelerometro per dare alte prestazioni in termini di orientamento. Sembra impossibile trattare questi sistemi complessi parlando di ordini di grandezza del genere, ma la scienza va oltre il mondo micro: puoi approfondire l’argomento qui.

Il nostro smartphone contiene molti altri sensori che hanno un funzionamento altrettanto affascinante e usano diversi principi fisici, come il sensore ottico di prossimità e quello di luminosità, oppure il sensore per l’impronta digitale. Oggi si parla anche di rilevatori di CO2 e chissà se in futuro integreranno anche i cosiddetti nasi artificiali, che permetteranno di riconoscere particelle tossiche e tanto altro.

Fonti:

[1] Mercury13, CC BY-SA 3.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons
[2] Mercury13, CC BY-SA 3.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons
[3] G. Avanzolini, E. Magosso, Strumentazione Biomedica – Progetto e impiego dei sistemi di misura, Pàtron Editore, 2015
[4] E. Carnevale, Sensori e Trasduttori – Guida Pratica, 2021