Un nuovo sensore microelettronico per il monitoraggio intelligente dei consumi di energia

Dal laboratorio di ricerca congiunto tra Università di Bologna e STMicroelectronics nasce un nuovo sensore microelettronico di corrente in grado di ottenere tempi di risposta 20 volte più rapidi rispetto ai dispositivi oggi in commercio. L’innovazione potrebbe trovare applicazioni nei settori delle energie rinnovabili e delle auto elettriche, favorendo una maggiore efficienza energetica, e più in generale potrebbe promuovere il monitoraggio intelligente dei consumi di energia, incentivando il risparmio energetico, con una conseguente riduzione delle emissioni di gas serra.

L'iniziativa è nata nell'ambito del progetto europeo PROGRESSUS, a cui partecipano l'Università di Bologna, insieme al Consorzio Nazionale Interuniversitario per la Nanoelettronica, e STMicroelectronics. Finanziato nell’ambito dell’impresa comune ECSEL (con accordo numero 876868), dal Ministero dell’Università e della Ricerca, dalla Germania, Slovacchia, Olanda e Spagna, il progetto coinvolge ventidue partner di cinque paesi, selezionati tra le principali università ed aziende europee che operano nei settori dei semiconduttori, dell’elettronica di potenza e dell’energia. Obiettivo di PROGRESSUS è sviluppare componenti e sistemi elettronici ad alta efficienza energetica ed elevata sicurezza da utilizzare nelle reti di distribuzione elettrica del futuro, che saranno alla base della transizione energetica.

"Una delle sfide per un’elettrificazione basata su reti elettriche intelligenti e fonti rinnovabili è la realizzazione di componenti e sistemi elettronici in grado di supportare in modo efficiente trasferimenti di energia e di informazione complessi e che possano essere usati, ad esempio, sui veicoli elettrici e nelle nostre case", spiega Aldo Romani, docente afferente al Centro di Ricerca sui Sistemi Elettronici per l’Ingegneria dell’Informazione e delle Telecomunicazioni "Ercole De Castro" dell'Università di Bologna e responsabile scientifico locale del progetto. "Per affrontare la sfida della miniaturizzazione in questi ambiti è fondamentale sviluppare componenti elettronici per il trasferimento e il monitoraggio dell’energia operanti a frequenze di commutazione sempre maggiori, quindi più velocemente: in questo modo è possibile utilizzare componenti più piccoli e leggeri".

I sensori di corrente ad effetto Hall sono dispositivi in grado di misurare correnti elettriche sfruttando gli effetti magnetici prodotti da queste ultime. Il campo magnetico associato ad una corrente elettrica è in grado modificare il movimento e la concentrazione degli elettroni in un sensore microelettronico posto nelle vicinanze. Questi dispositivi vengono comunemente utilizzati in numerosi ambiti, tra cui la protezione dei circuiti da possibili danni dovuti al sovraccarico di energia, con applicazioni importanti per la vita delle batterie elettriche, ma anche per il monitoraggio dei consumi e per il miglioramento delle prestazioni dei sistemi elettrici.

La tipologia di sensori ad effetto Hall oggi più diffusa utilizza una tecnica operativa basata su una serie di misurazioni consecutive che permettono di aumentare l’accuratezza del dispositivo, ma ne rallentano il funzionamento. Le nuove tecnologie richiedono però che i sensori di corrente lavorino sempre più velocemente.

Lo sviluppo innovativo proposto dal laboratorio di ricerca congiunto tra Università di Bologna e STMicroelectronics va esattamente in questa direzione. Un nuovo design microelettronico e una nuova tecnica di misura permettono al nuovo sensore di evitare il metodo basato su misurazioni consecutive e quindi di ottenere dei tempi di risposta 20 volte più rapidi (nell'ordine di 50 nanosecondi).

"Invece di leggere la tensione che si sviluppa ai bordi del sensore a causa dell’effetto Hall, cerchiamo di annullare quella tensione, prelevando le cariche elettriche che si accumulano nel sensore ed andando a 'contarle': questo permette di eliminare gli effetti che rallentano il sistema e che sono legati alla presenza di accumuli di carica elettrica", spiega Marco Crescentini, ricercatore dell’Università di Bologna e responsabile dello sviluppo del nuovo sensore.

Il nuovo dispositivo può trovare applicazioni importanti nei settori delle energie rinnovabili e dell'automotive, per lo sviluppo di sistemi per la conversione di energia sempre più efficienti ed intelligenti. Ma non solo: può essere utilizzato anche come sistema di sicurezza, perché la sua grande velocità permette di rilevare la presenza di correnti eccessive ed evitare in modo tempestivo seri danni ai circuiti elettrici. Inoltre, combinando il sensore con tecniche di machine learning è possibile realizzare un sistema collegato ad un singolo punto di ingresso di una rete elettrica (ad esempio il quadro principale di un’abitazione) in grado di rilevare i consumi dei vari carichi elettrici e distinguerli tra loro: un modo per creare sistemi di monitoraggio energetico sempre più semplici e meno costosi.