ITMI20102365A1 - Dispositivo elettronico integrato per il monitoraggio di parametri all'interno di una struttura solida e sistema di monitoraggio impiegante tale dispositivo - Google Patents

Description

“Dispositivo elettronico integrato per il monitoraggio di parametri all’interno di una struttura solida e sistema di monitoraggio impiegante tale dispositivoâ€

DESCRIZIONE

SFONDO TECNOLOGICO DELL’INVENZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione si riferisce a dispositivi elettronici integrati per il monitoraggio di parametri all’interno di una struttura solida, ed in particolare ad un dispositivo per la rivelazione ed il monitoraggio di parametri in accordo al preambolo della rivendicazione 1.

E’ altresì compreso nella presente invenzione un sistema di monitoraggio di parametri, all’interno di una struttura solida, che impiega il menzionato dispositivo elettronico integrato per il monitoraggio di parametri.

Descrizione dell’arte nota

In strutture solide, particolarmente in strutture portanti di, ad esempio, ponti, palazzi, gallerie, ferrovie, muri di contenimento, dighe, argini, condutture e strutture sotterranee di metropolitane urbane, e così via, à ̈ molto importante monitorare, in più punti, parametri significativi, quali ad esempio la pressione, la temperatura e gli sforzi meccanici.

Un tale monitoraggio, effettuato periodicamente o continuativamente, Ã ̈ utile sia in fase iniziale, sia durante il periodo di vita della struttura.

A tale scopo, à ̈ nota anche in questo campo l’applicazione di dispositivi elettronici di monitoraggio basati su sensori elettronici, in grado di fornire buone prestazioni a costi contenuti.

Solitamente, tali dispositivi sono applicati sulla superficie delle strutture da monitorare, o all’interno di recessi già previsti nella struttura ed accessibili all’esterno.

Tali dispositivi non sono però in grado di rilevare esaustivamente i parametri all’interno della struttura da monitorare, la cui conoscenza à ̈ molto utile al fine di valutare la qualità della struttura, la sua sicurezza, l’invecchiamento, la reazione a condizioni atmosferiche variabili, e così via.

Inoltre, tali dispositivi sono applicabili solamente dopo la costruzione della struttura, e non durante tale costruzione. Perciò, non sono in grado di valutare eventuali difetti iniziali.

In parziale risposta a queste esigenze, la soluzione mostrata nel brevetto statunitense US 6,950,767 prevede un dispositivo di monitoraggio elettronico interamente contenuto, cioà ̈ “sepolto†all’interno del materiale (ad esempio cemento armato) di cui à ̈ costituita la struttura da monitorare.

Più specificamente, il dispositivo sepolto nella struttura, in US 6,950,767, à ̈ un intero sistema incapsulato in un unico contenitore, composto di diverse parti, assemblate su un substrato, quali circuiti integrati, sensori, antenne, condensatori, batterie, memorie, unità di controllo, ed altro ancora, realizzati in diversi “chip†tra loro connessi mediante connessioni elettriche realizzate con collegamenti metallici.

Nel complesso, US 6,950,767 descrive dunque una soluzione di tipo “System in Package†(SiP), in cui il SiP à ̈ rivestito di un involucro in materiale di mold quale una resina epossidica.

Tale sistema comunica con l’esterno grazie ad un sottosistema di radiocomunicazione in esso compreso, che deve avere antenne di dimensioni tali da poter comunicare con un sistema remoto.

Il sistema di US 6,950,767 comprende anche sottosistemi aventi funzioni correlate alla alimentazione, ad esempio raddrizzatori nel caso in cui riceva energia dall’esterno, tramite onde elettromagnetiche, oppure una propria batteria per una generazione interna dell’alimentazione.

Si osservi che un sistema di monitoraggio destinato ad essere “annegato†inizialmente in un materiale per costruzioni (ad es. calcestruzzo liquido, destinato poi a solidificarsi) ed a rimanere poi “sepolto†nella struttura solida, à ̈ sottoposto a condizioni critiche, ad esempio per le altissime pressioni, che possono essere anche di alcune centinaia di atmosfere.

Esistono poi numerose altre cause di usura, col tempo, ad esempio, dovute ad infiltrazioni di acqua, in grado di danneggiare il sistema.

Un inconveniente dei sistemi noti, quali quello di US 6,950,767, nasce dal fatto che essi sono sistemi complessi, sia pur racchiusi in package, e possono dunque danneggiarsi a fronte delle condizioni operative in cui devono trovarsi.

In particolare, le interconnessioni elettriche tra le varie parti del SiP di US 6,950,767 possono essere vulnerabili, a fronte dello sforzo meccanico che il SiP inserito nella struttura deve sopportare.

Inoltre, la “finestra†che deve essere lasciata nel package per permettere al sensore di rivelare il relativo parametro, può essere un punto debole a fronte di possibili infiltrazioni di umidità.

Ancora, una fessurazione o imperfezione del materiale di rivestimento può far penetrare acqua, all’interno del SiP, e provocare dei cortocircuiti.

Oltre all’acqua, anche altre sostanze, quali acidi potenzialmente corrosivi, possono infiltrarsi.

In generale, benché progettati per tale utilizzo, l’affidabilità di sistemi quali quello di US 6,950,767 trova un limite nella complessità della struttura di tali sistemi, ancorché miniaturizzati.

Si osservi inoltre che la soluzione di US 6,950,767 prevede l’utilizzo di numerosi SiP in diversi punti della struttura da monitorare, in posizioni tuttavia non note. Le posizioni devono essere stimate sulla base di tecniche quali la trilaterazione. Ciò può portare a diversi inconvenienti, tra cui:

- se la stima della posizione dei sensori non à ̈ corretta, i dati ricavati dal sistema remoto esterno di raccolta ed elaborazione dei dati possono essere imprecisi o di difficile interpretazione;

- se la struttura à ̈ di cemento armato, e comprende strutture metalliche (ad esempio, tondini di acciaio), risulta impossibile controllare ed evitare effetti di schermo elettromagnetico; ciò può pregiudicare la comunicazione con l’esterno e/o la rilevazione della posizione dei diversi SiP.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di escogitare e mettere a disposizione un dispositivo elettronico integrato, per il monitoraggio di parametri all’interno di una struttura solida, migliorato in modo tale da ovviare almeno parzialmente agli inconvenienti qui sopra descritti con riferimento alla tecnica nota.

In particolare, si propone un dispositivo di monitoraggio migliorato, che risulti semplice, robusto e di accresciuta affidabilità, per consentire la misura di almeno una grandezza fisica della struttura solida, nel contesto più generale di migliorare la sicurezza di strutture architettoniche di vario tipo.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Tale scopo viene raggiunto da un dispositivo in accordo con la rivendicazione 1.

Ulteriori forme di realizzazione di tale dispositivo sono definite nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 11.

Un sistema di monitoraggio comprendente un dispositivo secondo l’invenzione à ̈ definito nella rivendicazione 12.

Ulteriori forme di realizzazione di tale sistema sono definite nelle rivendicazioni dipendenti da 13 a 15.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo elettronico per il monitoraggio di parametri secondo l’invenzione risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle annesse figure, in cui:

- la figura 1 illustra uno schema funzionale di un dispositivo elettronico di monitoraggio secondo un esempio dell’invenzione;

- le figure 2A e 2B mostrano due viste in sezione semplificate riferite, rispettivamente, a due forme realizzative di un modulo integrato di rivelazione compreso nel dispositivo elettronico di monitoraggio della figura 1;

- la figura 3 illustra uno schema strutturale di un dispositivo elettronico di monitoraggio secondo un ulteriore esempio dell’invenzione;

- la figura 4 illustra schematicamente un sistema di monitoraggio secondo un esempio dell’invenzione; - la figura 5 mostra una forma realizzativa di un sottosistema di monitoraggio interno, compreso nel sistema di monitoraggio secondo la presente invenzione;

- le figure 6A e 6B mostrano, rispettivamente, due forme realizzative di un particolare di un sottosistema di monitoraggio interno secondo la presente invenzione;

- la figura 7 illustra un’ulteriore forma realizzativa di un particolare di un sottosistema di monitoraggio interno secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alla figura 1, viene ora descritto un dispositivo elettronico 100 per la rivelazione ed il monitoraggio di uno o più parametri locali (che definiremo nel seguito, per brevità “dispositivo di monitoraggio†) all’interno di una struttura solida, secondo un esempio della presente invenzione.

Il dispositivo di monitoraggio 100 comprende un modulo integrato di rivelazione 1, realizzato su un singolo “chip†di semiconduttore (nel seguito definito semplicemente chip), tipicamente silicio.

Il dispositivo di monitoraggio 100 comprende inoltre, solidali al modulo integrato di rivelazione 1, mezzi elettromagnetici 2 per trasmissione/ricezione di segnali di telecomunicazioni e scambio di energia tra il modulo integrato di rivelazione 1 ed un sistema esterno di controllo e di raccolta dati, non mostrato in figura 1.

Il modulo integrato di rivelazione 1 comprende una porzione di circuiteria funzionale integrata 16. Ai fini della presente descrizione, con la terminologia “porzione di circuiteria funzionale integrata†si intende indicare la porzione del modulo integrato di rivelazione 1 atta ad implementare i blocchi funzionali compresi nel modulo stesso, quali ad esempio quelli nel seguito descritti.

Come illustrato in figura 1, la porzione di circuiteria funzionale integrata 16 del modulo integrato di rivelazione 1 comprende un sensore integrato 10 in grado di rivelare e monitorare uno o più parametri, caratteristici della struttura da monitorare, che si desidera tenere sotto controllo. Tipicamente, tali parametri sono una pressione e/o una temperatura e/o uno sforzo meccanico.

Si osservi che, secondo forme di realizzazione alternative, i sensori integrati nel modulo integrato di rivelazione 1 possono essere più d’uno, e ciascuno di essi può rivelare uno o più parametri, come verrà meglio esemplificato in seguito.

Si noti ancora che i parametri rivelabili possono essere diversi rispetto a quelli sopra citati a titolo di esempio, purché abbiamo un effetto rivelabile sul semiconduttore o su strutture integrate nell’unico chip di cui si compone il modulo integrato di rivelazione 1.

Tipicamente, il sensore integrato 10 à ̈ in grado di trasformare in una variabile elettrica un valore di temperatura o di pressione, sfruttando ad esempio le variazioni note che tali parametri inducono ad esempio sulla mobilità di elettroni/lacune nel semiconduttore.

E’ noto, al proposito, che la mobilità dipende dalla temperatura, in una maniera indipendente dall’orientamento cristallino del materiale semiconduttore, e dalla pressione, in una maniera dipendente dall’orientamento cristallino del materiale semiconduttore, secondo le leggi che regolano il fenomeno della piezoresistenza. In particolare, con riferimento agli indici di Miller, utilizzando notazioni comuni nell’ambito della definizione di piani ed assi caratterizzanti un cristallo, si consideri ad esempio un cristallo di tipo N nel piano (001): in tale esempio, la sensibilità allo sforzo meccanico, dunque alla pressione, à ̈ massima se tale sforzo si applica lungo assi [100] e [010] rispetto ad un sistema di riferimento associato all’orientamento cristallino, mentre à ̈ minima lungo assi [110].

Pertanto, con opportune configurazioni di componenti integrati sul chip del modulo integrato di rivelazione 1, si possono costruire sensori di pressione, compensando la dipendenza dalla temperatura, o viceversa sensori di temperatura, compensando la dipendenza dalla pressione.

Si noti che altre dipendenze da invecchiamento e logoramento sono facilmente discriminate dalle precedenti e compensate, tenendo conto che esse si manifestano su periodi temporali molto più lunghi, ad esempio di anni.

Secondo un esempio di realizzazione, il sensore 10 à ̈ un sensore di pressione formato con quattro resistenze integrate in configurazione di ponte di Wheatstone, in cui due resistenze sensibili alla pressione sono orientate lungo gli assi [100] e [010] associati all’orientamento cristallino, mentre le altre due sono orientate lungo gli assi [110], orientamento che coincide con l'angolo dell'asse di sensibilità minima dell'effetto piezoresistivo. In tal modo, la dipendenza della misurazione dal parametro “temperatura†à ̈ del tutto trascurabile e, in questo senso, si può affermare che il parametro “pressione†à ̈ misurato in modo sostanzialmente indipendente dal parametro “temperatura†.

Secondo un ulteriore esempio di realizzazione, il sensore 10 à ̈ un sensore di pressione e di temperatura formato da un primo ed un secondo oscillatore ad anello, comprendenti ciascuno una pluralità di componenti integrati (ad esempio, tre o un numero dispari di “inverter†, oppure due o un numero pari di “buffer differenziali†) in cascata. I componenti integrati del primo oscillatore sono costituiti da materiale semiconduttore con orientamento cristallino diverso rispetto all’orientamento del materiale del secondo oscillatore: ad esempio, rispettivamente, con orientamento lungo l’asse [110] e [100] o [010].

In tal modo, la frequenza di oscillazione del primo oscillatore con orientamento a [110], in cui l’effetto piezoelettrico à ̈ minimo, dipende sostanzialmente solo dalla temperatura, essendo del tutto trascurabile l’effetto della pressione; quindi, tale frequenza può essere interpretata come l’output di un sensore di temperatura.

La frequenza di oscillazione del secondo oscillatore con orientamento [100] o [010], se depurata dall’effetto della temperatura, noto grazie all’output del primo oscillatore, dipende sostanzialmente solo dalla pressione; quindi, tale frequenza può essere interpretata come l’output di un sensore di pressione.

Si noti che, negli esempi di realizzazione sopra descritti, per la funzionalità del sensore 10, non à ̈ necessaria la presenza di membrane o di altri componenti al di fuori del modulo integrato di rivelazione 1.

Con riferimento ancora alla figura 1, si osservi che la porzione di circuiteria funzionale integrata 16 del modulo integrato di rivelazione 1 comprende ulteriormente una antenna integrata 11.

L’antenna integrata 11 svolge la funzione di trasmettere all’esterno del modulo integrato di rivelazione 1, in modalità wireless (cioà ̈ “senza fili†), i dati misurati, cioà ̈ l’intensità di ciascuna delle variabili elettriche dipendenti e rappresentative, rispettivamente, di una delle grandezze fisiche da rivelare e monitorare.

L’antenna integrata 11 svolge inoltre la funzione di ricevere dall’esterno comandi operativi.

Ancora, l’antenna integrata 11 svolge la ulteriore funzione di ricevere onde a radiofrequenza necessarie per un’alimentazione da remoto (cioà ̈ una “telealimentazione†) del modulo integrato 1, senza necessità di batterie o alimentatori in loco.

L’antenna integrata 11 à ̈ realizzata mediante almeno un livello di metallizzazione, ad esempio di alluminio o rame, compresa nel modulo integrato di rivelazione 1.

Come illustrato ancora in figura 1, la porzione di circuiteria funzionale integrata 16 del modulo integrato di rivelazione 1 comprende inoltre i seguenti ulteriori blocchi funzionali ausiliari: un circuito di alimentazione 12, un circuito di pilotaggio 13 ed un circuito di controllo 14.

Il circuito di alimentazione 12 à ̈ atto a ricavare l’alimentazione elettrica necessaria al funzionamento del modulo integrato di rivelazione 1 a partire da onde a radiofrequenza ricevute dall’antenna integrata 11. A tale scopo, il circuito di alimentazione 12 à ̈ collegato all’antenna integrata 11 per ricevere onde a radiofrequenza; ed à ̈ altresì collegato al sensore integrato 10 e agli altri blocchi funzionali della circuiteria funzionale integrata 16 (cioà ̈, nell’esempio di figura 1, il circuito di pilotaggio 13 ed il circuito di controllo 14) per fornire alimentazione elettrica.

Il circuito di pilotaggio 13 à ̈ atto a pilotare l’antenna integrata 11 in modo che essa trasmetta in modalità wireless i dati misurati. A tale scopo, il circuito di pilotaggio 13 à ̈ operativamente collegato all’antenna integrata 11, ed inoltre al sensore 10, da cui riceve i dati misurati, ed al circuito di controllo 14, da cui riceve i relativi comandi.

Il circuito di controllo 14 à ̈ atto a controllare il funzionamento della circuiteria funzionale integrata presente nel modulo integrato 1, secondo quanto ordinato da comandi operativi inviati dall’esterno e ricevuti dall’antenna integrata 11. A tale scopo, il circuito di controllo 14 à ̈ operativamente collegato da un lato all’antenna integrata 11, attraverso la quale esso riceve i comandi operativi, e dall’altro lato al sensore 10, al circuito di pilotaggio 13 ed al circuito di alimentazione 12 per l’attuazione di tali comandi.

Il circuito di alimentazione 12, il circuito di pilotaggio 13 ed il circuito di controllo 14 possono essere realizzati mediante circuiti di per sé noti, ad esempio nell’ambito della tecnologia RFID (Radio Frequency Identifier), o di tecnologie di fabbricazione delle “Smart Card†. Pertanto, essi non verranno qui descritti in dettaglio.

Al proposito, si noti che la modalità di funzionamento dell’antenna integrata 11 può essere vantaggiosamente basata su tecniche di “modulazione di carico†(“load modulation†), tipiche della tecnologia RFID.

Con riferimento alle figure 2A e 2B, si osservino ora alcuni particolari della struttura fisica del modulo integrato di rivelazione 1, la cui struttura funzionale à ̈ stata sopra descritta.

Nella vista semplificata in sezione della figura 2A sono schematicamente rappresentati un substrato in silicio 17 e la porzione di circuiteria funzionale integrata 16. La porzione di circuiteria funzionale integrata 16 à ̈ schematizzata per semplicità mediante un solo strato, ma può essere ovviamente realizzata mediante una pluralità di strati, come ben noto.

Si osservi che il substrato in silicio 17 e la porzione di circuiteria funzionale integrata 16 costituiscono il singolo chip su cui à ̈ realizzato il modulo integrato di rivelazione 1.

La porzione di circuiteria funzionale integrata 16 comprende una superficie funzionale 18 rivolta verso l’esterno di tale chip. La superficie funzionale 18 à ̈ dunque quella parte della superficie esterna del chip che appartiene alla porzione di circuiteria funzionale integrata 16.

Il modulo integrato di rivelazione 1 comprende ulteriormente uno strato passivante 15.

Nella forma realizzativa mostrata in figura 2A, lo strato passivante 15 à ̈ uno strato impermeabile e protettivo, atto a rivestire completamente almeno la detta superficie funzionale 18 della porzione di circuiteria funzionale integrata 16, in modo tale che il modulo integrato di rivelazione 1, nel suo complesso, sia interamente sigillato in modo ermetico ed isolato galvanicamente dall’ambiente circostante.

Tale strato passivante 15 può essere realizzato ad esempio in ossido di silicio, o nitruro di silicio, o carburo di silicio.

Si osservi che lo strato passivante 15 à ̈ appositamente realizzato sul modulo integrato di rivelazione 1, ed in particolare sulla superficie funzionale 18 della porzione di circuiteria funzionale integrata 16, in modo che nessuna metallizzazione sia accessibile verso l’esterno. In particolare, lo strato passivante 15 ricopre vantaggiosamente anche le eventuali metallizzazioni non operative nell’applicazione finale, solitamente presenti sui chip contenenti circuiti integrati allo scopo di consentirne un test, prima di essere tagliati dalla fetta (“wafer†) di silicio su cui sono stati fabbricati.

Si osservi che alcune parti del modulo integrato di rivelazione 1, cioà ̈ le parti “laterali†, nella vista in sezione della figura 2A, possono essere sigillate ermeticamente mediante, ad esempio, un anello di sigillatura (“seal ring†), secondo soluzioni di per sé note, e dunque non mostrate in figura 2A. Inoltre, il substrato 17 del modulo integrato di rivelazione 1 (cioà ̈ la parte “inferiore†nella vista in sezione della figura 2A) risulta di per sé sigillato ed isolato galvanicamente.

Pertanto, lo strato passivante 15 atto a rivestire la superficie funzionale 18 della porzione di circuiteria funzionale integrata 16 (cioà ̈ la parte “superiore†del chip, nella schematizzazione della figura 2A), risulta essere da un lato necessario, dall’altro sufficiente a garantire che il singolo chip del modulo integrato di rivelazione 1 sia, nel suo complesso, sigillato in modo ermetico ed isolato galvanicamente dall’ambiente circostante.

Si noti che tale sigillatura e tale isolamento galvanico completo sono resi possibili dal fatto che tutte le funzionalità necessarie per la rivelazione dei parametri da monitorare sono realizzate da blocchi presenti all’interno del singolo chip, che costituisce il modulo integrato di rivelazione 1.

In particolare, il modulo integrato di rivelazione 1, in virtù delle caratteristiche precedentemente descritte, à ̈ vantaggiosamente in grado di fornire le proprie funzioni senza necessità di alcun filo e/o metallizzazione per le connessioni verso l’esterno del modulo integrato stesso. Esso, dunque, non presenta alcun terminale metallico, cioà ̈ nessun “wire bonding†e/o “pad†e/o “bump†, verso l’esterno, e quindi può dunque essere interamente sigillato ed isolato galvanicamente.

Inoltre, il modulo integrato di rivelazione 1 à ̈ in grado di svolgere le proprie funzioni di rivelazione senza bisogno di ulteriori blocchi di mediazione, e senza necessità di ulteriori involucri di protezione, nei confronti del materiale solido di cui à ̈ composta la struttura da monitorare. Esso può dunque essere annegato in tale struttura, e posto in diretto contatto con essa.

Si osservi che l’assenza di ulteriori involucri di protezione non rende fragile il modulo integrato di rivelazione 1, ma anzi ne migliora l’utilizzabilità e l’affidabilità.

Infatti, lo strato passivante 15 rende completa la protezione del modulo integrato di rivelazione 1 rispetto ad acqua, umidità e qualunque altro agente esterno di corrosione e degrado, senza che vi siano punti deboli attaccabili da tali agenti, quali ad esempio metallizzazioni.

Si osservi al proposito che tali punti deboli potrebbero essere attaccati, ove presenti, ad esempio in dispositivi di monitoraggio costruiti come “system in package†, anche in presenza di involucri di protezione dell’intero “system in package†.

Inoltre, per quanto riguarda la resistenza di tipo meccanico, Ã ̈ il materiale semiconduttore stesso che costituisce il modulo integrato di rivelazione 1 a garantire le prestazioni richieste.

Infatti, un materiale semiconduttore quale il silicio ha proprietà meccaniche che gli consentono di resistere, di non spaccarsi, e di funzionare correttamente fino a pressioni di almeno 1500 atmosfere, purché tali pressioni siano uniformi, e tali pressioni sono comunque superiori alle pressioni che si hanno all’interno del materiale solido di cui à ̈ posto il modulo integrato di rivelazione 1.

Queste caratteristiche consentono al modulo integrato di rivelazione 1 di poter essere annegato nella struttura da monitorare durante la costruzione della struttura stessa, ad esempio durante una fase di colata di calcestruzzo liquido; e permettono inoltre al modulo integrato 1 di funzionare successivamente, dall’interno della struttura solida (ad esempio, di cemento armato) dopo la solidificazione del calcestruzzo, avendo un lungo tempo di vita e parametri di affidabilità buoni, rispetto a requisiti tipici.

Secondo un’ulteriore forma realizzativa del modulo integrato di rivelazione 1, illustrata in figura 2B, lo strato passivante 15 à ̈ realizzato in modo da rivestire completamente il modulo integrato 1 dopo che à ̈ stata tagliata la fetta (“wafer†) di silicio su cui esso era stato fabbricato. Vantaggiosamente, tale forma realizzativa fornisce un’ulteriore garanzia di sigillatura ermetica ed isolamento galvanico del modulo integrato di rivelazione 1, nei casi in cui le soluzioni di protezione delle parti diverse dalla superficie funzionale 18, già citate come note, siano ritenute per qualunque ragione non sufficienti.

Facendo ora nuovamente riferimento alla figura 1, si considerino i mezzi elettromagnetici 2 per trasmissione/ricezione di segnali per telecomunicazioni e scambio di energia.

Tali mezzi elettromagnetici 2 rispondono alla necessità di permettere una comunicazione tra il modulo integrato di rivelazione 1 ed un sistema esterno di controllo e raccolta dati, situato in remoto, ad esempio a distanze di alcuni centimetri o alcuni metri dalla struttura da monitorare e dunque dal modulo integrato di rivelazione 1. Ciò implica la necessità di trasmettere energia elettromagnetica in campo vicino o lontano, tenendo conto anche delle attenuazioni dovute alla struttura solida da monitorare, che i campi elettromagnetici devono attraversare.

A fronte di ciò, l’antenna integrata 11 compresa nel modulo integrato di rivelazione 1 non può di per sé garantire una comunicazione remota, a causa di limiti intrinseci dovuti principalmente alle sue ridotte dimensioni.

Si osservi che, nella forma realizzativa qui descritta, i mezzi elettromagnetici 2 consentono, grazie alla propria struttura, sia una trasmissione/ ricezione di segnali di telecomunicazioni (ad esempio, come già precedentemente descritto, trasmissione di dati misurati e ricezione di comandi operativi per il sensore), sia uno scambio di energia per alimentazione (ad esempio, come già precedentemente descritto, ricezione di onde a radiofrequenza per alimentazione).

Nella forma realizzativa mostrata in figura 1, i mezzi elettromagnetici 2 si concretizzano in un dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2, avente la proprietà di concentrare un campo elettromagnetico esterno, e la relativa energia, sull’antenna integrata 11 del modulo integrato di rivelazione 1; e, analogamente, di espandere un campo elettromagnetico emesso dall’antenna integrata 11, e la relativa energia, verso un’antenna remota, ad esempio del sistema esterno di controllo e raccolta dati.

Tale dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2 comprende almeno due antenne, ad esempio una prima antenna 21 ed una seconda antenna 22, collegate tra loro mediante una rete elettrica di connessione 23. Tale rete elettrica di connessione 23 può essere ad esempio una semplice linea di trasmissione o un altro circuito.

La prima antenna 21 comunica con l’antenna integrata 11 del modulo integrato di rivelazione 1, mediante campi elettromagnetici (indicati simbolicamente con F in figura 1), e preferibilmente mediante accoppiamento di campo magnetico (cioà ̈ accoppiamento magnetico in campo vicino).

La seconda antenna 22 comunica con un’antenna remota, ad esempio del sistema esterno di controllo e raccolta dati, mediante accoppiamento di campi elettromagnetici (cioà ̈ accoppiamento elettromagnetico in campo lontano).

Ciascuna delle prima e seconda antenna 21, 22 può essere un dipolo magnetico o un dipolo hertziano o anche altro tipo di antenna nota, purché in grado di svolgere le funzioni sopra descritte.

Si consideri ora la figura 3, che mostra dal punto di vista strutturale un dispositivo di monitoraggio 100 secondo la presente invenzione, ed in particolare illustra un’ulteriore forma realizzativa dei mezzi elettromagnetici 2.

Si osservi che viene usata in figura 3 la stessa numerazione utilizzata in figura 1, laddove le parti indicate siano le stesse, o abbiano la stessa funzionalità.

Nella forma realizzativa mostrata in figura 3, il dispositivo di monitoraggio 100 comprende ulteriormente un supporto 3, ad esempio di materiale polimerico, su cui sono posizionati, ad esempio mediante incollatura, il modulo integrato di rivelazione 1 ed i mezzi elettromagnetici 2.

Si osservi che tale supporto 3 svolge principalmente le funzioni di mantenere solidali tra loro il modulo integrato di rivelazione 1 ed i mezzi elettromagnetici 2, ed inoltre di mantenere il dispositivo di monitoraggio 100 in una prefissata posizione all’interno della struttura da monitorare, come verrà illustrato in seguito.

Nella forma realizzativa illustrata in figura 3, la prima antenna 21 del dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2 (cioà ̈ dei mezzi elettromagnetici 2) comprende una spira 21.

Inoltre, la rete elettrica di connessione 23 del dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2 (cioà ̈ dei mezzi elettromagnetici 2) comprende un circuito di adattamento 23, di per sé noto.

Ancora, la seconda antenna 22 del dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2 (cioà ̈ dei mezzi elettromagnetici 2) comprende un antenna a dipolo hertziano 22.

La spira 21 à ̈ posta vicino al modulo integrato di rivelazione 1 e si sviluppa intorno ad esso, in un modo tale da accoppiarsi magneticamente con l’antenna integrata 11. Le correnti indotte dall’antenna integrata 11 sulla spira 21, che funge da dipolo magnetico, vengono trasferite alla antenna a dipolo hertziano 22.

Tale trasferimento à ̈ preferibilmente mediato dal circuito di adattamento 23, che consente di migliorare le prestazioni complessive del dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2.

Come già osservato, la seconda antenna 22 del dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2 à ̈ in questo caso un dipolo hertziano, adatto ad una comunicazione in “campo lontano†(“far field†). I mezzi elettromagnetici 2 possono essere dunque visti in questo caso come un trasformatore ibrido, in cui un dipolo hertziano (cioà ̈ l’antenna a dipolo hertziano 22) à ̈ accoppiato magneticamente con l’antenna integrata 11 del modulo integrato di rivelazione 1.

Vantaggiosamente, il dipolo magnetico, cioà ̈ la spira 21, à ̈ progettato in modo da minimizzarne le dimensioni ed ottimizzare l’accoppiamento con l’antenna integrata 11.

Altrettanto vantaggiosamente, il dipolo hertziano, cioà ̈ l’antenna 22, à ̈ progettato in modo da ottimizzare la comunicazione in campo lontano.

A tal proposito, le dimensioni dell’antenna a dipolo hertziano sono tipicamente paragonabili alla lunghezza d’onda di funzionamento, che à ̈ legata alla frequenza di comunicazione.

Secondo un esempio realizzativo non limitante, il dispositivo di monitoraggio 100 secondo la presente invenzione può utilizzare una banda di trasmissione UHF, a frequenze intorno agli 800 MHz o superiori, il che implica che esso à ̈ equipaggiato con un dipolo hertziano di dimensioni ragionevoli, dell’ordine di centimetri.

Si osservi tuttavia che un ampio intervallo di bande di frequenza può essere utilizzato in diverse forme di realizzazione, trovando a seconda delle specifiche applicazioni un equilibrio tra la distanza della comunicazione da garantire, da un lato, e le dimensioni del dipolo hertziano ritenute convenienti, dall’altro lato.

Dal punto di vista della larghezza di banda di trasmissione del canale di trasmissione/ricezione associato al dispositivo di monitoraggio 100, non vi sono requisiti particolarmente stringenti, dal momento che il tipo di comunicazione che esso deve supportare à ̈ relativamente semplice ed a bassa quantità di informazione. Una larghezza di banda di alcune decine di KHz, ad esempio 200KHz, à ̈ adeguata. Come già osservato, i mezzi elettromagnetici 2 sono in grado, basandosi sulla stessa infrastruttura già descritta, non solo di trasmettere e ricevere telecomunicazioni, ma anche di ricevere energia da onde elettromagnetiche di potenza opportuna, a frequenze comprese nella banda di lavoro dell’antenna a dipolo hertziano 22. Tale energia ricevuta à ̈ utilizzata per l’alimentazione (definibile anche come “telealimentazione†) del modulo integrato di rivelazione 1, tramite il già descritto circuito di alimentazione 12.

Si consideri ora, con riferimento in particolare alla figura 4, un sistema di monitoraggio 200 di parametri all’interno di una struttura solida (nel seguito “sistema di monitoraggio†200), che impiega il dispositivo di monitoraggio 100 precedentemente descritto. Tale sistema di monitoraggio 200 à ̈ in grado di monitorare uno o più parametri in uno o in una pluralità di punti (dunque di parametri “locali†), all’interno di una struttura solida 300 da monitorare.

Si noti che la rappresentazione di figura 4, avendo carattere puramente illustrativo, non à ̈ in scala. In particolare, in essa risultano ingrandite, per chiarezza di illustrazione, le dimensioni relative dei dispositivi di monitoraggio 100.

Il sistema di monitoraggio 200, nella forma di realizzazione illustrata in figura 4, comprende un sottosistema interno di monitoraggio 210, interno alla struttura solida 300, ed un sottosistema esterno di controllo e raccolta dati 220.

Si osservi che nell’esempio della figura 4 la struttura da monitorare à ̈ un pilastro di cemento armato 300, comprendente tondini di rinforzo in acciaio 301. Il sottosistema interno di monitoraggio 210 à ̈ dunque incluso all’interno di tale pilastro di cemento armato, sin dalla fase della sua costruzione. In particolare, nella fase di costruzione, il sottosistema interno di monitoraggio 210 viene opportunamente posto in una posizione desiderata all’interno del volume determinato da un cassero/cassaforma. Successivamente, all’interno di tale cassero/cassaforma, viene versato calcestruzzo liquido, che circonda il sottosistema interno di monitoraggio 210 e, solidificandosi, lo imprigiona, in modo che tale sottosistema risulti alla fine “sepolto†all’interno del pilastro in cemento armato.

Simili considerazioni valgono anche, evidentemente, qualora la struttura da monitorare sia una struttura differente dal citato pilastro.

Il sottosistema interno di monitoraggio 210 comprende una struttura di sostegno di dispositivi di monitoraggio 211 (che indicheremo nel seguito semplicemente “struttura di sostegno†211) ed una pluralità di dispositivi di monitoraggio 100, secondo la presente invenzione, ad essa fissati.

La struttura di sostegno 211 à ̈ atta a fornire sostegno ed a fissare in una posizione nota e predefinita ciascun dispositivo di monitoraggio 100 della pluralità di dispositivi di monitoraggio 100, compresi nel sottosistema interno di monitoraggio 210.

Tale struttura di sostegno 211 si sviluppa all’interno della struttura solida 300.

Nell’esempio di figura 4, la struttura di sostegno 211 à ̈ un filo a piombo, si sviluppa in modo rettilineo lungo una dimensione del pilastro 300.

Il posizionamento di tale struttura di sostegno 211, nell’esempio di figura 4, à ̈ lungo un asse parallelo a quello dei tondini di rinforzo, ma spostato rispetto ad essi verso la parte periferica del pilastro, in modo che i tondini di rinforzo non costituiscano uno schermo elettromagnetico, a deterioramento delle comunicazioni elettromagnetiche da e verso i dispositivi di monitoraggio 100 sostenuti dalla struttura di sostegno 211.

In altre forme realizzative, la struttura di sostegno 211 può avere qualsivoglia forma, ad esempio rettilinea lungo un’altra dimensione oppure spezzata (come mostrato in figura 5) oppure semicircolare, oppure genericamente curvilinea, o altro.

I criteri con cui tale forma viene stabilita dipendono dalla forma della struttura da monitorare: si pensi ad esempio ad una forma curvilinea, adatta all’andamento curvilineo della volta di una galleria.

Il posizionamento della struttura di sostegno 211, in forme realizzative diverse, può essere diverso da quanto illustrato in figura 4, purché sia mantenuta l’accortezza di posizionare la struttura di sostegno 211 in modo che essa non sia schermata dalle strutture metalliche eventualmente presenti nella struttura solida 300 da monitorare.

Si osservi che la forma ed il posizionamento della struttura di sostegno 211 determinano lo sviluppo geometrico del sottosistema interno di monitoraggio 210, il quale può presentarsi in una amplissima gamma di variazioni.

I criteri con cui viene determinato lo sviluppo geometrico del sottosistema interno di monitoraggio 210, nelle diverse forme realizzative, possono dipendere dalla forma della struttura da monitorare e dalla selezione dei punti significativi da monitorare all’interno della struttura stessa (ad esempio, lungo uno o più assi della struttura, o in punti particolarmente delicati dal punto di vista strutturale).

I materiali di cui à ̈ costituita la struttura di sostegno 211 possono essere vari, ad esempio metallici o sintetici.

Una particolare forma realizzativa, prevede che la struttura di sostegno 211 sia una corda 211, tesa tra punti di ancoraggio 212 a formare un qualsivoglia sviluppo geometrico, ad esempio un’onda triangolare (come illustrato in figura 5) o un’onda quadra, o una spirale attorno a tondini di rinforzo 301, o un’altra forma geometrica non regolare. Tali punti di ancoraggio 212 possono essere ad esempio dei chiodi che penetrano in parte il cassero/cassaforma entro cui avviene la colata di calcestruzzo, in fase di costruzione della struttura da monitorare.

Si noti ancora che la struttura di sostegno 211, e dunque lo sviluppo geometrico del sottosistema interno di monitoraggio 210, possono comprendere diverse parti, tra loro non collegate, ciascuna delle quali avente le caratteristiche sopra elencate.

Uno o una pluralità di dispositivi di monitoraggio 100, secondo la presente invenzione, sono collegati alla struttura di sostegno 211, attraverso il supporto 3. Ciascuno dei dispositivi di monitoraggio 100 à ̈ fissato alla struttura di sostegno 211 in una posizione nota ed opportunamente predefinita.

In particolare, il supporto 3 può essere incollato oppure vincolato meccanicamente, in un qualsiasi modo noto, alla struttura di sostegno 211.

Secondo una forma realizzativa alternativa, illustrata in figura 6A, à ̈ prevista una striscia di supporto 30 di materiale polimerico, tale da poter essere fissata alla struttura di sostegno 211, ed atta ad alloggiare, a distanze ed in posizioni predefinite, una pluralità di dispositivi di monitoraggio 100. L’utilizzo di tale striscia di supporto 30, in sostituzione di una pluralità di singoli supporti 3, permette di poter controllare con maggior precisione la distanza fra i diversi dispositivi di monitoraggio 100.

Vantaggiosamente, la striscia di supporto 30 può essere forata, presentando fori 31, come mostrato in figura 6B, in modo da alterare il meno possibile la struttura da monitorare.

Su una striscia di supporto 30, come illustrato in figura 7, possono trovarsi dispositivi di monitoraggio 100 aventi svariati tipi di dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2, tra loro diversi.

Ad esempio, possono essere presenti dispositivi di espansione e concentrazione elettromagnetica per la comunicazione in campo lontano e dispositivi di espansione e concentrazione elettromagnetica per la comunicazione in campo vicino.

Inoltre, i dispositivi di espansione e concentrazione elettromagnetica per la comunicazione in campo lontano possono avere diversi orientamenti, per tener conto delle diverse possibili direzioni di arrivo dei segnali elettromagnetici dai sistemi esterni alla struttura solida. Quindi, le antenne di tali dispositivi di espansione e concentrazione elettromagnetica possono essere ad esempio antenne polarizzate in senso verticale, antenne polarizzate in senso orizzontale, e/o antenne orientate secondo angoli diversi a seconda degli scopi.

Vantaggiosamente, sono possibili forme di implementazione in cui uno stesso dispositivo di monitoraggio comprende una pluralità di moduli integrati di rivelazione, e comprende inoltre dispositivi di espansione e concentrazione elettromagnetica aventi più di due antenne.

Ad esempio, in figura 7 à ̈ illustrato un dispositivo di monitoraggio 100’, comprendente due moduli integrati di rivelazione 1’ ed 1’’ e comprendente inoltre un dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica 2’ avente tre antenne: un’antenna 22’ per la comunicazione in campo lontano; e due antenne 21’, 21’’, per la comunicazione in campo vicino. Le antenne 21’ e 22’ sono atte a comunicare, rispettivamente, con i due diversi moduli integrati di rivelazione 1’, 1’’, compresi nel dispositivo di monitoraggio 100’.

Ancora in figura 7, si può vedere come le antenne 21’ e 21’’ per la comunicazione in campo vicino possono essere realizzate, rispettivamente, mediante una spira 21’ ed una ulteriore spira 21’’, poste in serie l’una rispetto all’altra. La spira 21’ risulta direttamente accoppiata all’antenna 22’, mentre l’ulteriore spira 22’’ à ̈ accoppiata all’antenna 22’ tramite la spira 21’.

Tale soluzione può essere vantaggiosamente applicata nel caso in cui si usino, nello stesso dispositivo di monitoraggio, due moduli integrati di rivelazione, di cui uno à ̈ ridondante, in modo tale che il funzionamento non sia pregiudicato in caso di danneggiamento di uno dei due moduli integrati di rivelazione, nel qual caso sarà usato il modulo integrato di rivelazione ridondante.

Tale soluzione può essere vantaggiosamente applicata anche nel caso in cui i due moduli integrati di rivelazione 1’, 1’’ siano due moduli integrati di rivelazione indipendenti, purché si utilizzi un accorgimento per evitare collisioni tra le comunicazioni relative ai due moduli: ad esempio, si può applicare a tale scopo un protocollo di comunicazione atto ad evitare l’insorgere di collisioni di messaggi, come noto ad esempio in ambito RFID; oppure, si possono applicare tecniche di differenziazione di frequenze identificative associate ai due diversi moduli integrati di rivelazione 1’, 1’’, come verrà meglio dettagliato nel seguito.

Con riferimento ancora al sistema di monitoraggio 200 illustrato in figura 4, si consideri ora il sottosistema esterno di controllo e raccolta dati 220 (che definiremo “sottosistema esterno†220).

Il sottosistema esterno 220 comprende un’antenna di sottosistema esterno 221 (che definiremo “antenna esterna†221), mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati 222, mezzi di alimentazione e telealimentazione 223.

Si noti che il sottosistema esterno 220 può essere vantaggiosamente situato in una posizione opportuna e di installazione conveniente, anche ad una certa distanza della struttura da monitorare 300, purché tale distanza consenta la comunicazione con il sottosistema interno di monitoraggio 210.

A tale scopo à ̈ destinata l’antenna esterna 221, che à ̈ in grado di comunicare con ciascuno dei mezzi elettromagnetici 2 di ciascuno dei dispositivi di monitoraggio 100 compresi nel sottosistema di monitoraggio interno 210, in modo da realizzare con esso il già illustrato scambio di segnali di telecomunicazioni ed energia, attraverso campi elettromagnetici, indicati con F’ in figura 4.

In accordo con ulteriori forme realizzative, il sottosistema esterno 220 può comprendere un qualsivoglia numero di antenne esterne 221.

Attraverso l’antenna esterna 221, il sottosistema esterno 220 riceve i dati, inviati da uno o da una qualunque pluralità di dispositivi 100 del sottosistema interno di monitoraggio 210, rappresentativi di uno o più parametri rivelati e misurati dai rispettivi sensori 10; i dati così ricevuti vengono inoltrati ai mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati 222.

Inoltre, attraverso l’antenna 221, il sottosistema esterno 220 invia segnali di controllo, ad esempio comandi, ad uno o ad una qualunque pluralità di dispositivi 100 del sottosistema interno di monitoraggio 210; tali segnali di controllo servono, ad esempio, a configurare un determinato dispositivo 100, e/o a richiedere la misura di un determinato parametro in un determinato momento o continuativamente, o ad altre funzioni di comando, configurazione o manutenzione remota.

Infine, ancora attraverso l’antenna 221, il sottosistema esterno 220 invia energia elettromagnetica per la telealimentazione di uno o di una qualunque pluralità di dispositivi 100 del sottosistema interno di monitoraggio 210; tale energia à ̈ fornita all’antenna esterna 221 da parte dei mezzi di alimentazione e telealimentazione 223, ad esempio sotto forma di onde a radiofrequenza, come già precedentemente illustrato.

Con riferimento ora ai mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati 222, si osservi che essi possono essere realizzati attraverso uno o più elaboratori, fisicamente co-locati agli altri elementi del sottosistema esterno 220, o anche posti remotamente e tra loro collegati mediante una qualsivoglia rete di telecomunicazioni.

I più svariati tipi di elaborazione possono essere svolti dai mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati 222, ad esempio, e non limitativamente: monitoraggio del profilo spaziale di diversi parametri, con o senza interpolazione; monitoraggio dell’andamento temporale e storico di diversi parametri; confronto con soglie per determinare eventuali condizioni di degrado e di pericolo, e così via.

Con riferimento ora ai mezzi di alimentazione e telealimentazione 223, si osservi che essi possono includere diversi tipi di generatori di energia, basati ad esempio su celle solari, o su celle a combustibile, o su batterie ricaricabili.

Una forma realizzativa preferita, al fine di aumentare i tempi di autonomia e minimizzare la manutenzione di tali mezzi di alimentazione e telealimentazione 223, comprende celle solari, per il funzionamento diurno, ed uno o più super-capacitori, (ad esempio di 1 Farad 5 Volt, con dimensioni 2x5 cm, spessore 3 mm), caricati dalle celle solare durante il giorno, per il funzionamento notturno.

Si osservi ora più in dettaglio la funzione di telecomunicazione (cioà ̈ le modalità di comunicazione remota) tra il sottosistema esterno 220 ed il sottosistema interno di monitoraggio 210. Tale telecomunicazione comprende uno scambio di segnali di controllo e di segnali relativi a dati misurati, tra il sottosistema esterno 220 e ciascuno dei dispositivi di monitoraggio 100 del sottosistema interno 210.

Per gestire tale telecomunicazione, tra molti terminali ed un punto di raccolta, possono essere impiegati protocolli di telecomunicazione noti, ad esempio nell’ambito di tecnologie RFID.

A tal fine, ogni dispositivo di monitoraggio 100 può essere caratterizzato da un codice individuale, programmato ed inscritto, ad esempio, in un opportuno elemento di memoria, quale un “anti-fuse link†o un “fuse link†o altro.

In alternativa, secondo una forma realizzativa preferita, come codice individuale può essere utilizzata una frequenza identificativa, assegnata univocamente a ciascun dispositivo di monitoraggio 100. Tale frequenza identificativa, diversa ed unica per ciascuno dei dispositivi di monitoraggio 100, consente una comunicazione “diretta†a ciascun dispositivo di monitoraggio 100, su un canale fisico individuale; in tal caso, i mezzi elettromagnetici 2 di ciascun dispositivo di monitoraggio 100 saranno in grado di trasmettere/ricevere segnali alla rispettiva frequenza identificativa.

Vantaggiosamente, l’utilizzo di una frequenza identificativa per ciascun dispositivo di monitoraggio 100 consente di meglio gestire la telecomunicazione tra molti terminali ed un punto di raccolta, permettendo anche comunicazioni in parallelo, contemporanee.

Si osservi che la possibilità di identificare i dispositivi di monitoraggio 100, secondo una qualsiasi delle modalità sopra indicate, à ̈ molto importante non solo per gestire le comunicazioni, ma anche per discriminare e valutare opportunamente i dati ricevuti, da parte dei mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione 222.

In particolare, tali mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione 222, identificando un determinato dispositivo di monitoraggio 100, possono anche identificarne la posizione, nota e predefinita, al fine di consentire una più semplice ed efficace interpretazione ed elaborazione dei dati ricevuti.

Inoltre, nel caso in cui un dispositivo di monitoraggio 100 dovesse guastarsi o funzionare in modo non corretto, i mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione 222 possono riconoscere dove sia l’anomalia, tener conto della mancanza di dati in una prefissata posizione, e porre rimedio a ciò, ad esempio interpolando i dati provenienti da dispositivi adiacenti a quello guasto.

Si osservi che, nella forma realizzativa di dispositivo di monitoraggio 100’, illustrata in figura 7, à ̈ possibile, vantaggiosamente, assegnare una diversa frequenza identificativa a ciascuno dei due moduli integrati di rivelazione 1’ ed 1’’, in modo da consentirne una funzionalità indipendente, come già precedentemente descritto.

Come si può constatare, lo scopo della presente invenzione à ̈ raggiunto dal dispositivo di monitoraggio e dal sistema di monitoraggio precedentemente descritti, in virtù delle proprie caratteristiche.

Infatti, il dispositivo di monitoraggio della presente invenzione risulta semplice, robusto ed affidabile, in grado di resistere alle pressioni e temperature presenti all’interno di una struttura solida da monitorare, sia in fase di costruzione sia lungo la rispettiva vita operativa, ed inoltre particolarmente robusto rispetto alle principali cause di degradazione, quali quelle dovute ad esempio ad acqua ed umidità.

Inoltre, il sistema di monitoraggio della presente invenzione permette un efficace scambio di informazione tra una pluralità di dispositivi di monitoraggio ed un sottosistema esterno di raccolta ed elaborazione dati, consentendo a quest’ultimo di riconoscere individualmente i dispositivi di monitoraggio, di conoscerne deterministicamente la posizione, di interpretarne correttamente i dati.

Alle forme di realizzazione del dispositivo e del sistema di elaborazione sopra descritte, un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti anche congiuntamente all’arte nota, creando anche implementazioni ibride, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (100) per la rivelazione ed il monitoraggio di uno o più parametri locali all’interno di una struttura solida (300), comprendente: - un modulo integrato di rivelazione (1) avente una porzione di circuiteria funzionale integrata (16) comprendente almeno un sensore integrato (10) ed una antenna integrata (11), detto modulo integrato di rivelazione (1) essendo realizzato su un singolo chip, detta porzione di circuiteria funzionale integrata (16) comprendendo una superficie funzionale (18) rivolta verso l’esterno del chip; - mezzi elettromagnetici (2) per la trasmissione/ ricezione di segnali per telecomunicazioni e scambio di energia tra l’antenna integrata (11) del modulo integrato di rivelazione (1) ed un’antenna remota (221), detti mezzi elettromagnetici (2) essendo solidali al modulo integrato di rivelazione (1); caratterizzato dal fatto che: - il modulo integrato di rivelazione (1) comprende ulteriormente uno strato passivante (15) atto a rivestire completamente almeno detta superficie funzionale (18) della porzione di circuiteria funzionale integrata (16) in modo tale che il modulo integrato di rivelazione (1) sia interamente sigillato in modo ermetico ed isolato galvanicamente dall’ambiente circostante; - l’antenna integrata (11), i mezzi elettromagnetici (2) e l’antenna remota (221) sono operativamente collegati attraverso accoppiamento magnetico o elettromagnetico in modalità wireless.
2. 2. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1, in cui lo strato passivante (15) à ̈ atto a rivestire completamente il singolo chip su cui à ̈ realizzato il modulo integrato di rivelazione (1).
3. 3. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’almeno un sensore integrato (10) à ̈ in grado di rivelare uno o più parametri selezionati tra quelli del seguente gruppo: pressione, temperatura, sforzo meccanico, umidità, acidità.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il sensore integrato (10) à ̈ un sensore di pressione o di temperatura, in grado di misurare la pressione o la temperatura a cui à ̈ sottoposto sfruttando, rispettivamente, il fenomeno della piezoresistenza nel silicio ed il fenomeno delle variazioni della mobilità nel silicio in dipendenza della temperatura.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il sensore integrato (10) comprende un circuito di misura in configurazione di ponte di Wheatstone, nel quale due resistenze siano costituite da materiale con orientamento cristallino tale da massimizzare l’effetto piezoresistivo ed ulteriori due resistenze siano costituite da materiale con orientamento cristallino tale da minimizzare l’effetto piezoresisitivo, in modo tale che il parametro pressione sia misurato in modo sostanzialmente indipendente dalle variazioni di temperatura.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il sensore integrato comprende un circuito di misura avente una pluralità di componenti integrati in cascata configurati per realizzare un oscillatore ad anello, detti componenti integrati essendo costituiti da materiale con orientamento cristallino tale da massimizzare l’effetto piezoresistivo, in modo tale che l’oscillatore ad anello misuri una frequenza indicativa del parametro pressione, in modo sostanzialmente indipendente dalle condizioni di temperatura.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il sensore integrato comprende un circuito di misura avente una pluralità di componenti integrati in cascata configurati per realizzare un oscillatore ad anello, detti componenti integrati essendo costituiti da materiale con orientamento cristallino tale da minimizzare l’effetto piezoresistivo, in modo tale che l’anello di risonanza misuri una frequenza indicativa del parametro temperatura, in modo sostanzialmente indipendente dalle condizioni di pressione.
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detti mezzi elettromagnetici (2) comprendono un dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica (2) comprendente: - una prima antenna (21), configurata per comunicare con l’antenna integrata (11), mediante accoppiamento magnetico per la comunicazione elettromagnetica in campo vicino; - una seconda antenna (22), configurata per comunicare con l’antenna remota (221) del sistema esterno di controllo e di raccolta dati (220), mediante comunicazione elettromagnetica in campo lontano; - una rete elettrica di connessione (23), configurata per accoppiare dette prima antenna (21) e seconda antenna (22).
9. 9. Dispositivo (100’) secondo la rivendicazione 8, comprendente ulteriormente almeno un ulteriore modulo integrato di rivelazione (1’’), detto dispositivo (100’) avente un dispositivo di espansione e concentrazione elettromagnetica (2) comprendente: - una prima antenna (21’), comprendente una spira (21’) configurata per comunicare con l’antenna integrata del modulo integrato di rivelazione (1’), mediante accoppiamento magnetico per la comunicazione elettromagnetica in campo vicino; - almeno una rispettiva ulteriore prima antenna (21’’) comprendente un’ulteriore spira (21’’) configurata per comunicare con l’antenna integrata dell’ulteriore modulo integrato di rivelazione (1’’), mediante accoppiamento magnetico per la comunicazione elettromagnetica in campo vicino; essendo dette spira (21’) della prima antenna ed ulteriore spira (21’’) dell’ulteriore prima antenna tra loro operativamente collegate in serie.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il modulo integrato (1) comprende ulteriormente, integrato sul singolo chip, un circuito di pilotaggio (13) dell’antenna integrata (11) in tecnologia RFID.
11. 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’antenna integrata (11) à ̈ in grado di catturare, attraverso i detti mezzi elettromagnetici (2), onde elettromagnetiche trasmesse dall’antenna remota (221), per la telealimentazione del modulo integrato di rivelazione (1).
12. 12. Sistema di monitoraggio (200) di uno o più parametri in una pluralità di punti all’interno di una struttura solida (300), comprendente: - un sottosistema di monitoraggio interno (210) posto all’interno della struttura solida (300); - un sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) posto all’esterno e remotamente rispetto alla struttura solida (300); caratterizzato dal fatto che: - il sottosistema di monitoraggio interno (210) comprende una struttura di sostegno (211) passante per i punti da monitorare all’interno della struttura solida (300), e comprende inoltre una pluralità di dispositivi di monitoraggio (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, ciascuno di detta pluralità di dispositivi di monitoraggio (100) essendo fissato alla struttura di sostegno (211) in una posizione nota e predefinita; - il sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) comprende: - un’antenna esterna (221), in grado di comunicare elettromagneticamente con i mezzi elettromagnetici (2) dei detti dispositivi di monitoraggio (100); - mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati (222), atti a ricevere, memorizzare ed elaborare dati provenienti da una pluralità di dispositivi di monitoraggio (100) rappresentativi di parametri da monitorare; e - mezzi di alimentazione e telealimentazione (223), atti a fornire energia di alimentazione al sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) ed energia di telealimentazione al sottosistema interno di monitoraggio (210), tramite l’antenna esterna (221).
13. 13. Sistema di monitoraggio (200) secondo la rivendicazione 12, in cui la struttura da monitorare (300) comprende strutture metalliche di rinforzo (301) ed in cui la struttura di sostegno (211) à ̈ posizionata in un modo tale da rendere trascurabile l’effetto elettromagnetico dovuto a dette strutture metalliche di rinforzo (301).
14. 14. Sistema di monitoraggio (200) secondo la rivendicazione 12, in cui ciascun dispositivo di monitoraggio (100) opera ad una frequenza identificativa univoca, in modo tale che la comunicazione tra ciascun dispositivo di monitoraggio (100) ed il sottosistema esterno (220) avvenga alla rispettiva frequenza identificativa univoca del dispositivo di monitoraggio (100).
15. 15. Sistema di monitoraggio (200) secondo la rivendicazione 14, in cui i mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati (222) sono configurati per discriminare ed interpretare i dati ricevuti in base ad un riconoscimento del dispositivo di monitoraggio (100) da cui provengono, detto riconoscimento essendo effettuato sulla base del riconoscimento della frequenza identificativa univoca del rispettivo dispositivo di monitoraggio (100).