SENSORE

SENSORE

Un s., secondo una definizione di carattere generale, è un sistema che, sollecitato da una qualsivoglia forma di energia, reagisce cambiando il proprio stato, quindi una o più delle sue caratteristiche (resistività, volume, temperatura, ecc.). Per es. è un s. un materiale semiconduttore investito da fotoni di una certa energia, in quanto esso può presentare variazioni della sua resistività a causa della creazione di coppie elettrone-lacuna; oppure è un s. un materiale che, immerso in un campo magnetico, subisce una variazione della propria conducibilità. Questi materiali sensibili ai fotoni e al campo magnetico non sarebbero di nessuna utilità se non venisse utilizzata una struttura per la rivelazione (lettura) delle variazioni delle loro caratteristiche e la presentazione del risultato in una forma di energia opportuna e più facilmente accessibile. Tale struttura, insieme con il materiale sensibile, dà luogo a una conversione di energia e d'informazione dall'ingresso all'uscita, e per questo motivo essa viene spesso detta trasduttore. Questa parola, tuttavia, mentre evidenzia il concetto di trasduzione, non contiene più nessun legame lessicale che ricordi l'azione del sensore.

L'interesse attuale per i s. è in continua crescita, come viene mostrato dall'evoluzione straordinariamente positiva dei loro mercati; il loro sviluppo, reso vivo dalla pressante necessità di misurare grandezze fisiche, chimiche e biologiche nel contesto delle grandi aree applicative − quali salute, medicina, conservazione dei cibi, chimica analitica, processi industriali, ambienti, analisi odori, ecc. −, è fortemente legato allo sviluppo delle tecnologie microelettroniche e a quelle di nuovi materiali organici e inorganici.

Tutti gli esseri viventi del nostro pianeta, in misura più o meno apparente, sono dotati di sofisticati sistemi biologici integrati (sensori), che vengono da essi utilizzati per interagire proficuamente con l'ambiente in cui si trovano. La perdita di efficienza di questi indispensabili sistemi, o la loro mancanza, si ripercuote in una riduzione della capacità di sopravvivenza e, induttivamente, in un rallentamento del loro processo evolutivo. Per questi motivi essi sono eccezionalmente importanti. Nel perenne sforzo volto all'imitazione della natura, per costruire apparecchiature di particolare rilievo come per es. i robot, da destinare a lavori ripetitivi, di precisione o faticosi, l'uomo cerca di realizzare, con le tecnologie rese disponibili dallo sviluppo industriale dei nostri tempi, s. e microsistemi in grado di superare, in prestazioni, quelli biologici. Tali s. però rappresentano solamente la prima interfaccia con l'ambiente; essi devono poi essere seguiti da dispositivi microelettronici in grado di utilizzare ed elaborare le informazioni ricevute.

Parallelamente, e a valle della necessità di rilevare, individuare e misurare grandezze di tipo fisico, chimico e biologico, sono stati realizzati nel recente passato e sono ora in fase evolutiva s. di tipo fisico, chimico e biologico che sono d'aiuto nella caratterizzazione e nel controllo degli ambienti generalizzati in cui si vive e si opera, dei quali si è parte integrante e dei quali si desidera, naturalmente, approfondire la conoscenza; dove per ambiente generalizzato s'intende ogni tipo di volume di qualsivoglia forma e materia in cui agiscono grandezze di tipo fisico e/o chimico e/o biologico in condizioni di equilibrio o di non equilibrio. Esempi di ambiente generalizzato sono: le atmosfere, le acque, le terre, gocce di liquidi biologici, le cellule biologiche, gli autoveicoli, gli edifici, lo spazio, ecc. Il passo successivo riguarderà la realizzazione di microsistemi intelligenti, pensati come strutture complesse costituite da s., elettronica di elaborazione e attuatori. Questi ultimi possono essere micromotori, microleve, micropompe, microinterruttori, micromacchine intelligenti delle dimensioni di pochi mm³, possibilmente realizzati tutti essenzialmente con gli stessi materiali: il silicio, l'ossido di silicio, metalli sotto forma di film sottili tipo platino, cromo, oro, alluminio, ecc. In tutti questi sistemi i s. giocheranno un ruolo fondamentale; una moltitudine di microsensori, così come mirabilmente accade in natura, sarà infatti indispensabile per consentire azioni microdiagnostiche e per il controllo degli attuatori dedicati ai microspostamenti.

I s. di nuova generazione sono dei dispositivi a stato solido realizzati tramite tecnologie microelettroniche, in grado di consentire la lettura dell'ambiente generalizzato e fornire risposte sotto forma di segnali di tipo elettrico od ottico, adatti per successive elaborazioni e per azioni finali di controllo e monitoraggio. Essi sono cioè in grado, per es., di misurare forze, accelerazioni, pressioni e temperature di gas, liquidi e solidi (s. fisici), concentrazioni di ioni (calcio, sodio, potassio, idrogeno, ecc.) in soluzione, concentrazioni di gas quali monossido e biossido di carbonio, ossidi di azoto, ecc. in atmosfere, nonché concentrazioni di gas in liquidi (s. chimici). Possono infine, utilizzando enzimi, anticorpi o molecole opportunamente progettate, accrescere la loro sensibilità e selettività nei confronti di particolari specie chimiche o biologiche (s. biologici). La tab. 1 riassume i tipi di grandezze da misurare di più comune interesse.

Trattandosi di dispositivi a elevata complessità, il loro studio e sviluppo può essere svolto solamente a livello interdisciplinare con competenze riguardanti la fisica dello stato solido, la chimica, la microelettronica, la biologia, la chimica-fisica delle interfacce, l'elettrochimica, ecc. Ciò può essere chiarito elencando alcune delle più importanti caratteristiche che un s. deve soddisfare: esso dev'essere selettivo (per rispondere solamente alla specie chimica d'interesse), a elevata sensibilità, a elevata risoluzione, a basso rumore, compatibile con le tecnologie microelettroniche, non contaminante e non contaminabile, robusto, a basso costo e, in tutte le applicazioni che riguardano direttamente gli esseri viventi, biocompatibile. In tab. 2 sono indicate le più importanti caratteristiche di classificazione dei sensori. Tutte queste caratteristiche non possono essere in pratica simultaneamente soddisfatte, ma un accettabile compromesso può quasi sempre essere trovato, a livello di progettazione, in relazione ai compiti specifici che un determinato s. dovrà svolgere.

Sensori chimici e biologici. − Non essendo possibile descrivere in questa sede tutti i tipi di s., può presentare un certo interesse segnalare che essi possono essere suddivisi in alcune classi nelle quali tutti i tipi di s. chimici e biologici devono in qualche modo convergere, e che fanno riferimento ai cosiddetti dispositivi di base. Parte comune ai dispositivi di base utilizzati per realizzare s. chimici e biologici è la membrana, un materiale chimicamente interattivo in grado d'interagire con una o più specie chimiche presenti nell'ambiente dove viene immerso il dispositivo stesso. Questo materiale rappresenta la parte più importante e strategica del s. ed è oggi oggetto di consistenti sforzi di ricerca nei laboratori più accreditati a livello internazionale. Nella tab. 3 sono indicati alcuni tipi di materiali organici e inorganici utilizzati come membrane interagenti per realizzare s. chimici.

Molteplici possono essere gli effetti dell'interazione tra membrana e ambiente generalizzato: generazione di calore, con conseguente variazione di temperatura; generazione di carica elettrica; aumento della massa; variazione della conducibilità elettrica di ossidi o semiconduttori; variazione dell'indice di rifrazione. Sono disponibili attualmente dispositivi di base in grado di utilizzare ciascuno degli effetti su menzionati. La risposta di questi dispositivi nei primi quattro casi è di tipo elettrico (corrente o tensione), od ottico nell'ultimo caso, adatta comunque per successive elaborazioni o trattamento dell'informazione.

Qui di seguito saranno introdotte alcune strutture di base, naturalmente a livello schematico, relative agli effetti sopra elencati; alla fine verrà fatto un breve cenno ai s. biologici.

In fig. 1I è illustrato un s. piroelettrico. Un materiale piroelettrico (tantalato di litio) viene ricoperto da due film sottili di oro che rappresentano i due contatti elettrici; sopra uno dei due contatti viene depositata la membrana di interesse adatta per sentire una particolare specie chimica (per es. palladio se si desidera rivelare idrogeno). In presenza d'idrogeno, quindi, il palladio esercita la sua azione catalitica liberando calore che determina variazioni del momento di dipolo interno del tantalato di litio. La conseguente carica elettrica liberata ai contatti può infine essere rivelata tramite un misuratore di corrente. È così possibile mettere in relazione la corrente di uscita con la quantità di idrogeno assorbita dal palladio. Questa struttura può evidenziare variazioni di temperatura estremamente basse, dell'ordine di 10^-5°C.

In fig. 1II è indicata una struttura Metallo - Ossido - Semiconduttore (MOS) in cui, a titolo di esempio, il gate è ricoperto di un film sottile di palladio. In presenza d'idrogeno il palladio, attraverso un'azione tipicamente catalitica, fa nascere all'interfaccia palladio - ossido di silicio un dipolo elettrico che controlla la corrente di canale del MOS. In questo modo la tensione di uscita dal drain può essere messa in relazione alla quantità d'idrogeno adsorbito durante il processo catalitico. Questa struttura è in grado di reagire a variazioni di carica elettrica dell'ordine di 10^-9C.

In fig. 1III è indicata la struttura di base di un s. a onda acustica superficiale (SAW, Surface Acoustic Wave); durante l'azione catalitica, il processo di adsorbimento d'idrogeno cambia le caratteristiche acusto-elettriche della membrana (palladio), e ciò produce un ritardo variabile nella propagazione delle onde acustiche. Tale ritardo induce variazioni della frequenza di oscillazione di un oscillatore contenente, nella rete di reazione, proprio la struttura SAW. In questo modo la frequenza in uscita può essere messa in relazione con la concentrazione d'idrogeno contenuta nell'ambiente di misura. Questa struttura può rilevare variazioni di massa dell'ordine di 10^-9 g.

In fig. 1IV è mostrato un s. d'idrogeno realizzato considerando un oscillatore a quarzo. Su una delle due superfici della piastrina di quarzo (ossido di silicio monocristallino) viene depositato (tramite, per es., la tecnica di evaporazione, o di sputtering) un sottile film di palladio (1000 Å di spessore) il quale è in grado di reagire con l'idrogeno. La variazione di massa derivante da questa interazione produce, nell'oscillatore, una variazione di frequenza f che può essere correlata con la concentrazione d'idrogeno. In questo caso è possibile rilevare parti per milioni d'idrogeno.

In fig. 1V è indicato un s. di ioni basato su un dispositivo tipo MOSFET, detto ISFET (Ion Selective Field Effect Transistor). In questo caso la membrana può selezionare una delle specie chimiche d'interesse presente in soluzione e spingere tali ioni verso l'interfaccia ossido di silicio dove indurranno una variazione della corrente source-drain del dispositivo, fornendo così una risposta di tipo elettrico collegabile con l'entità della concentrazione. S. di ioni basati sull'uso di MOSFET prendono il nome di ENFET se sul gate è stato depositato un enzima come membrana selettiva.

In fig. 2 un interferometro tipo Mach-Zehnder viene sbilanciato a causa della variazione dell'indice di rifrazione di un film sottile di palladio inserito in uno dei due possibili cammini ottici. L'intensità della luce in uscita può essere messa in relazione, anche in questo caso, con il contenuto d'idrogeno presente nell'ambiente. Con questa struttura possono essere rilevate variazioni dell'indice di rifrazione dell'ordine di 10^-4.

In fig. 3 è riportato un sistema basato sull'utilizzazione di un film sottile di ossido di stagno (per es. drogato con palladio) che si presenta sensibile, se opportunamente riscaldato, ad alcune specie chimiche gassose, in particolare anche all'idrogeno. Una volta riscaldato a circa 400 °C, la variazione di conducibilità misurabile in uscita può essere messa in relazione alla quantità d'idrogeno chemiadsorbito.

Tutti i tipi di s. descritti sono in grado di rilevare alcune parti per milione d'idrogeno in azoto e ritornare nelle condizioni iniziali di misura dopo un procedimento veloce (decine di secondi) di desorbimento in ossigeno, conferendo al s. la caratteristica indispensabile di reversibilità. Va osservato che per gli esempi illustrati nelle figg. 1 e 2 si è utilizzata, per semplicità e per guidare il lettore a una migliore comprensione, sempre la stessa membrana (palladio); quindi tali s. sono tutti s. d'idrogeno pur essendo basati su tipi diversi di funzionamento. Ed è di conseguenza intuitivo che, utilizzando tipi diversi di membrane, possono essere realizzati, sfruttando i diversi effetti interattivi, numerosi tipi di altri s. per le specie chimiche d'interesse per l'ambiente generalizzato.

Infine, selettività praticamente infinite possono essere raggiunte da biosensori che si avvalgono di membrane di tipo enzimatico o di particolari anticorpi. La fabbricazione di membrane immunochimiche per la realizzazione degli immunosensori costituisce un segmento di sviluppo tecnologico di rilevante interesse e un'opportunità dal punto di vista brevettuale.

Sensori fisici. − Numerosi sono i tipi di s. fisici studiati e realizzati a livello di prototipi per ricerca e disponibili a livello di mercato; ne citeremo solamente alcuni relativi a grandezze da misurare che rivestono grande interesse quali la temperatura, la pressione e l'accelerazione.

Per la misura della temperatura sono spesso utilizzate le termocoppie, costituite, in generale, da due metalli (possono essere costituite anche da un metallo e un semiconduttore, o da due semiconduttori differentemente drogati) collegati come in fig. 4.

La giunzione 1 rappresenta il riferimento e dev'essere mantenuta a temperatura costante (per es. tenendola immersa nel ghiaccio fondente, o utilizzando un circuito elettronico detto ''di compensazione''), mentre la giunzione 2 rappresenta il punto di misura. La tensione V risulta essere legata alla differenza di temperatura esistente tra le due giunzioni. Con tale s. è possibile misurare variazioni termiche dell'ordine di 10^-4°C.

Le termocoppie possono essere realizzate collegando fili di diverso diametro; più sottili sono i fili, più veloce sarà la risposta del s., in quanto minore è la capacità termica della giunzione. Nel contesto dei dispositivi microelettronici è oggi possibile realizzare s. di questo tipo completamente integrati depositando, sotto forma di film sottili, i materiali desiderati. Ciò consente di ottenere s. di dimensioni attorno al centinaio di micron, e anche inferiori. Per aumentare la risposta in tensione possono essere collegate in serie numerose termocoppie in modo da formare la termopila, s. termico di notevole interesse e di grande utilità per le notevoli prestazioni in termini di sensibilità.

I s. di pressione (certamente i più importanti a livello di mercato) sono innumerevoli e tecnologicamente realizzati secondo modalità di funzionamento anche molto diversificate tra loro. In sostanza sono però basati sul principio di rivelazione della deformazione subita da una membrana in presenza di un'azione deformante. La rivelazione di detta informazione può essere realizzata introducendo sulla superficie della membrana materiali che cambiano il valore della loro conducibilità in funzione della loro deformazione (piezoresistenze). In presenza di un certo valore di pressione, la membrana subisce una determinata deformazione che viene comunicata a tali materiali (semiconduttori o metalli, realizzati con la tecnica del film sottile o spesso). La variazione di conducibilità viene poi rilevata elettronicamente, iniettando corrente e leggendo la tensione ai capi dei resistori. Normalmente, per rendere più sensibili tali s., le membrane vengono realizzate con la tecnica della lavorazione meccanica del silicio (micromachining), risultando così più uniformi e riproducibili. Per coprire intervalli di pressione più ampi possibile si realizzano membrane di diverso spessore, a ognuna delle quali viene assegnato un determinato sottointervallo di valori. Nella fig. 5 è mostrato un tipico esempio di s. di pressione di nuova generazione.

Per quanto riguarda i s. di accelerazione, oggi possono essere realizzate strutture del tipo cantilever (leva oscillante), caricate con una massa sismica come schematicamente mostrato in fig. 6. Lo spostamento della massa oscillante causato da un certo valore dell'accelerazione può essere rilevato misurando la sua distanza da una superficie di riferimento. In pratica viene misurato il valore della capacità (c) che può poi essere messo in relazione con l'entità dell'accelerazione.

Sensori a fibra ottica. − I s. a fibra ottica (FOS, Fibre Optics Sensors) possono essere configurati per misurare parametri fisici (la temperatura, la pressione, lo sforzo, la corrente elettrica, la rotazione, ecc.), o per misurare parametri chimici (la composizione, la concentrazione, ecc.). Il progetto di un s. a fibra ottica dipende criticamente dalla scelta delle fibre: quelle impiegate nel campo delle telecomunicazioni sono poco costose, ma generalmente non adatte per applicazioni nel campo dei s. in cui sono richieste prestazioni di tipo particolare.

Esistono numerosi tipi di fibre ottiche: multimodo, a modo singolo e per propagazione polarizzata della luce. Ogni fibra può essere ottimizzata per una specifica lunghezza d'onda λ della radiazione che s'intende utilizzare e può essere fabbricata con il diametro desiderato. La scelta tra FOS di fase e d'intensità generalmente determina il tipo di fibra da impiegare o da progettare.

I s. d'intensità possono essere realizzati sfruttando sia la tecnica multimodo che quella a singolo modo. In questo contesto la fibra ha il compito di trasmettere potenza ottica dalla sorgente al rivelatore. I s. di fase basano il loro funzionamento sul modo singolo e potenza luminosa modulata a impulsi. Per quanto riguarda l'attenuazione, le fibre che consentono la propagazione di energia con lunghezza d'onda λ=1,3 μm e λ=1,5 μm sono caratterizzate da una minore attenuazione e come conseguenza sono adatte per la trasmissione e ricezione di potenza luminosa.

Le prestazioni dei FOS dipendono da molteplici parametri, e per quanto riguarda il minimo segnale rilevabile (risoluzione) esso è limitato dal rumore di tipo shot; comunque esse tendono a migliorare con la radice quadrata della potenza ricevuta. D'altro canto applicazioni a lunghezze d'onda inferiori tipo 633 nm e 780-830 nm sono favorite in quanto la sensibilità è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda. Un compromesso va comunque sempre tenuto presente a livello di progettazione globale.

La struttura di base di un FOS contiene una sorgente, un elemento sensibile e un fotorilevatore, come mostrato schematicamente in fig. 7. L'azione di rilevamento può essere esercitata all'interno (s. intrinseco) o all'esterno della fibra (s. estrinseco). Per es. un s. estrinseco a fibra ottica, EFOS, che contenga un materiale sensibile depositato sulla superficie di un'estremità della fibra, può essere impiegato per misurare il livello di concentrazione in una data soluzione. In questo caso la luce viene inviata nella fibra e riflessa dalla superficie chimicamente attiva. L'intensità del segnale riflesso cambia in corrispondenza delle variazioni della composizione della soluzione. Come s. intrinseco, IFOS, si può citare quello basato sulla deformazione meccanica della fibra, ottenuta attraverso l'applicazione di pressioni, forze, accelerazioni. Per es. la fibra può essere impacchettata tra due piatti paralleli aventi le superfici affacciate rugose. In presenza di una delle suddette sollecitazioni vengono indotte lungo la fibra, localizzata tra i due piatti, delle pieghe le quali, modificando le condizioni interne di riflessione della luce, producono una corrispondente variazione dell'attenzione. Come conseguenza anche la potenza di luce ricevuta dalla fibra subisce una diminuzione. Questa variazione può essere messa in relazione con il tipo e l'entità della sollecitazione.

In generale quindi la luce che ritorna può essere modulata dalla grandezza in esame e condurre informazioni sulla variazione di uno o più dei seguenti parametri: polarizzazione, lunghezza d'onda, intensità, fase. In corrispondenza di queste quattro variazioni possono essere pensate quattro tipologie di FOS.

a) Nel FOS a polarizzazione si considera che la fibra a singolo modo è in realtà una fibra a due modi in virtù dei due diversi stati di polarizzazione che si possono propagare. I due modi si propagano a diversa velocità e agiscono come le due braccia di un interferometro all'interno di una singola fibra in cui la variazione di fase relativa viene modulata dall'azione del misurando.

b) Nei FOS a modulazione di lunghezza d'onda viene sfruttato lo spettro di luminescenza di un materiale sensibile eccitato da un'opportuna lunghezza d'onda. Tale spettro è funzione della temperatura e viene sfruttato per la sua misura (fig. 8).

c) Per quanto riguarda uno schema di FOS che funzioni sulla variazione di ampiezza, si faccia riferimento alla fig. 7.

d) Infine i FOS a variazione di fase.

Con l'impiego di fibre ottiche sono già stati realizzati s. di fumo, di prossimità, di umidità e di specie chimiche e biologiche.

Sensori per l'infrarosso. − I s. (o rivelatori) per l'infrarosso sono utilizzati per la porzione dello spettro elettromagnetico che va dal visibile alle microonde, cioè da valori di lunghezza d'onda di circa 7,5 × 10^-4 mm fino a 1 mm, ovvero dalla frequenza di 4 × 10^n,14 Hz a 3 × 10^n,11 Hz, ovvero da energie di 1,72 eV a 1,23 × 10^-3 eV, ovvero dal numero d'onda 10 cm⁻¹ a 3 × 10^n,4 cm⁻¹.

I s. per l'infrarosso possono essere suddivisi essenzialmente in due categorie. Nei s. termici la radiazione infrarossa assorbita produce variazioni della resistività, mentre nei s. fotonici la radiazione incidente produce variazioni della conducibilità a causa del processo di generazione (e ricombinazione) di coppie elettroni e lacune, tra la banda di valenza e quella di conduzione (s. intrinseci) o tra le trappole localizzate all'interno della banda proibita di energia e le bande di valenza e/o conduzione (s. estrinseci).

Tra i s. di tipo fotonico notevole è la suddivisione tra fotovoltaici e fotoconduttivi; i primi forniscono una tensione in uscita in presenza di radiazione infrarossa in ingresso, mentre i secondi in presenza di radiazione variano la propria conducibilità e in presenza di una corrente di polarizzazione forniscono una tensione di uscita per la successiva elaborazione.

In ogni caso il rumore è il principale fattore limitante le prestazioni di questi sensori. In questo contesto per essi si parla di un parametro rilevante detto NEP (Noise Equivalent Power) che indica la potenza di radiazione incidente che dà luogo a un rapporto segnale rumore pari a 1. Un altro parametro, di merito, legato al NEP è la detettività D* così definita:

dove A è l'area attiva del sensore. Va inoltre detto che i rivelatori per l'infrarosso destinati a funzionare oltre i 3 μm devono essere raffreddati con celle Peltier, tramite azoto liquido (77 K) o elio liquido (4,2 K).

Esistono tecniche che consentono rappresentazioni bidimensionali di immagini termiche dell'ambiente di misura. Esse sono basate su sistemi a scansione più o meno complessi che utilizzano un solo s., un insieme lineare di s., oppure una matrice di sensori. Nel secondo caso per avere un'immagine bidimensionale è necessario utilizzare un sistema ottico mobile che invii opportunamente l'informazione dell'ambiente sui rivelatori. Altre tecniche fanno uso di sistemi a trasferimento di carica del tipo CCD (Charge Coupled Device), che hanno la struttura elettronica di scansione incorporata. Attualmente sono oggetto di studi e ricerche s. per l'infrarosso a basso rumore, quindi a più alta risoluzione, basati sul comportamento di strutture quantiche a superreticolo in presenza di radiazione infrarossa.

Matrici di sensori. − La domanda di s. di prestazioni sempre più spinte ha portato recentemente a considerare strutture sensoriali complesse formate da singoli s. organizzati in matrici.

I s., e in particolar modo i s. chimici, sono generalmente dispositivi dotati di scarsa selettività. Questo significa che la risposta del s. non dipende esclusivamente dalla specie chimica per la quale è realizzato ma è influenzata, in misura variabile, anche da altre specie chimiche eventualmente presenti. Questa proprietà rappresenta un inconveniente in applicazioni nelle quali si richiede di misurare la concentrazione di una particolare specie chimica in ambienti in cui altre specie siano presenti. Uno degli obiettivi principali della ricerca attuale sui s. chimici è proprio quello di ottenere dei dispositivi basati su meccanismi d'interazione s.-ambiente che siano dotati di alta selettività. Questa caratteristica si realizza per i s. basati su tecniche immunologiche (immunosensori) in cui la disponibilità di un anticorpo per le specie da rivelare consente di realizzare s. basati sulle reazioni anticorpo-antigene di selettività ideale. Un'altra possibilità per la realizzazione di s. di alta selettività consiste nell'utilizzo della chimica supramolecolare per progettare composti chimici con cui poter realizzare membrane selettive. Questa strada, seppur promettente, è ancora lontana dall'essere operativa, e molecole riconoscitrici sono state realizzate solo per un numero limitato di sostanze.

Alla scarsa selettività si può comunque ovviare, per alcune applicazioni, utilizzando matrici di s., che sono costituite da un certo numero di s. accoppiati a una procedura di analisi dei dati. Le matrici non sono da intendersi come strutture di arrangiamento spaziale dei s. (come accade per le matrici di s. ottici), ma solo come strutture matematiche in cui i singoli s. sono componenti di un sistema multidimensionale. Con le matrici di s., sfruttando le proprietà statistico-matematiche, è possibile, nonostante la scarsa selettività dei singoli elementi, ottenere complessivamente soddisfacenti prestazioni dal punto di vista della risoluzione, della sensibilità e dell'accuratezza. Il punto chiave di questo procedimento consiste nella modellizzazione del s., cioè nell'assegnazione, tramite una procedura di calibrazione, di una funzione analitica a ogni sensore. Tale funzione esprime la relazione tra l'uscita del s. e le concentrazioni delle specie chimiche alle quali esso risponde. Le prestazioni della matrice dipendono quasi esclusivamente da quanto questa funzione rappresenta l'effettiva operatività del s. reale. Dopo il processo di calibrazione la matrice di s. è disponibile per la misura di quantità incognite.

È da tener presente che i s., e in particolar modo quelli chimici, sono soggetti a fenomeni d'instabilità delle loro caratteristiche in termini sia di fluttuazione attorno a una caratteristica media, sia di una vera e propria deriva, con un allontanamento progressivo delle caratteristiche di operatività (fenomeno quest'ultimo di rilevante importanza). Come conseguenza di ciò, la calibrazione dei s. va ripetuta durante la vita operativa della matrice con una frequenza che è data, oltre che dalla velocità di variazione tipica dei s. impiegati, anche dal grado di accuratezza richiesto dalla misura. Le procedure matematiche coinvolte nell'analisi dei dati di una matrice di s. sono essenzialmente quelle della regressione multipla (metodo dei minimi quadrati non lineare). La soluzione di tali problemi richiede una procedura di tipo ricorsivo da eseguire con un elaboratore elettronico.

Un'altra importante classe di applicazioni basate sull'utilizzo di matrici di s. sono quelle che vanno sotto il nome di ''naso elettronico'' (electronic nose). Queste applicazioni mirano a utilizzare matrici di s. per il riconoscimento di ''strutture chimiche'' presenti nell'ambiente sotto misura. Per strutture chimiche s'intende la presenza contemporanea, in un dato ambiente, di un numero di specie chimiche ognuna a un definito livello di concentrazione. In senso lato possiamo chiamare le strutture chimiche col termine generico di ''odori''. Tali applicazioni rendono possibile la realizzazione di sistemi olfattivi artificiali che consentano, oltre che di riprodurre la funzionalità dell'olfatto naturale, di estendere e raffinare la capacità d'identificazione dello stesso, includendo classi di molecole non percepibili dai recettori naturali (come per es. il CO).

Applicazioni per la discriminazione di strutture chimiche sono state eseguite soprattutto nel campo alimentare, per es. per distinguere tra diverse miscele di caffè, per il controllo automatico dei processi di produzione della birra, per il controllo di qualità dei cibi surgelati e infine per il riconoscimento delle annate di produzione dei vini. Questi sistemi di s., seppur ancora in fase di sperimentazione, sono destinati a entrare sul mercato nel prossimo futuro.

I s. utilizzati in queste applicazioni sono di varia natura. Nella maggior parte dei casi sono stati impiegati s. basati sia sull'utilizzazione di ossido di stagno come materiale semiconduttore sensibile, che su cristalli di quarzo oscillanti. Questo per la facilità di fabbricazione mostrata da queste classi di s. oltre che per la possibilità relativamente semplice di modificare le loro selettività attraverso l'uso di membrane selettive facilmente depositabili su tali s. vibranti. È da notare che per il riconoscimento di odori la non selettività dei s. è una caratteristica necessaria. Infatti è l'effetto collettivo di tutte le componenti della struttura chimica sui s. della matrice a permetterne il riconoscimento.

Le applicazioni di ''naso elettronico'' sono tipiche applicazioni di pattern recognition. Tecniche di elaborazione dei dati derivate dall'analisi statistica multivariata, come l'analisi dei componenti principali e quella dei clusters, sono in genere sufficienti per estrarre dalle matrici di s. le informazioni necessarie per discriminare gli odori d'interesse. Le limitazioni principali di queste tecniche sono dovute alla loro natura lineare e al fatto che la statistica degli odori dev'essere nota.

Recentemente tecniche di calcolo basate sull'impiego di reti neurali artificiali hanno ampliato notevolmente la potenzialità di applicazioni dei sistemi olfattivi artificiali. Degno di nota è l'utilizzo di reti neurali come le mappe autorganizzanti (mappe di Kohonen), basate su principi che presentano forti similitudini con alcune funzionalità della corteccia cerebrale, dedicate soprattutto all'elaborazione delle informazioni provenienti dai recettori dei sensi. L'utilizzo di un tale strumento di calcolo apre insospettate prospettive verso la realizzazione di sistemi olfattivi artificiali, soprattutto per quanto riguarda la dotazione di tali sistemi di caratteristiche proprie dei sistemi naturali quali l'autoapprendimento e l'adattatività alle condizioni ambientali.

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