Elettronica analogica

Introduzione al corso sui biosensori

Il corso, come indica il titolo, sarà dedicato principalmente ai biosensori. Questi dispositivi possono

essere organizzati e classificati in diversi modi: esistono biosensori ampiamente diffusi sul mercato,

ma anche biosensori progettati per essere indossabili, applicati direttamente sul corpo e utilizzati per

monitorare diversi parametri. In particolare, i biosensori possono servire per visualizzare parametri

del corpo umano e raccogliere informazioni utili per la diagnostica di una malattia, oltre a fornire

dati sullo stato di salute del paziente.

Ambiti di applicazione dei biosensori

Nel corso ci concentreremo principalmente sui biosensori destinati alla diagnostica dei parametri

fisiologici, al fine di determinare e comprendere lo stato di salute dell’individuo. Tuttavia, i

biosensori trovano applicazione anche in altri ambiti. Ad esempio, nel settore alimentare vengono

impiegati per verificare la presenza di contaminazioni o per individuare eventuali alterazioni o

malattie degli alimenti. Altri biosensori sono utilizzati nel monitoraggio ambientale, per rilevare la

presenza di metalli pesanti, gas o altri inquinanti. Nonostante ciò, il focus del corso sarà sui sensori

destinati al monitoraggio dei parametri fisiologici dell’uomo.

Concetti di base per comprendere i biosensori

Per comprendere il funzionamento dei biosensori è necessario introdurre alcuni concetti e

definizioni di base. Queste nozioni costituiscono le fondamenta per capire come funzionano i

biosensori, quali elementi sono necessari per realizzarli e qual è il principio di funzionamento alla

base di questi dispositivi.

Il concetto di trasduttore

Molte di queste nozioni potrebbero già essere note dal corso di elettronica, ma è importante

richiamarle. Quando parliamo di un dispositivo utilizzato nella sensoristica, dobbiamo prima

comprendere cosa fa. In generale, possiamo identificarlo con il termine trasduttore: un trasduttore è

un dispositivo che consente di trasformare una forma di energia in ingresso in una forma di energia

diversa in uscita.

Conversione delle grandezze fisiche in segnali misurabili

Viviamo in un mondo analogico e le grandezze che vogliamo misurare sono tipicamente grandezze

fisiche, come quelle meccaniche, chimiche, termiche o ottiche. La forma di energia da trasformare

può essere, ad esempio, meccanica (deformazione o pressione), chimica (concentrazione) o termica

(temperatura). L’obiettivo è convertire questa energia in una forma leggibile e proporzionale alla

grandezza in ingresso, in modo che possa essere misurata ed eventualmente trasformata in formato

digitale, poiché l’elaborazione avviene in sistemi digitali.

Il segnale elettrico nei biosensori

Nel contesto dei biosensori, la forma di energia in uscita è tipicamente elettrica, ovvero un segnale

elettrico. Il trasduttore permette quindi di convertire un’energia fisica in un segnale elettrico.

Classificazione dei trasduttori: sensori e attuatori

I trasduttori possono essere classificati in due categorie principali: sensori e attuatori.

Definizione e funzionamento di un sensore

Un sensore è un dispositivo che rileva una determinata grandezza in ingresso, convertendo una

quantità fisica non elettrica (come deformazione, pressione, massa, temperatura, concentrazione

chimica o intensità luminosa) in un segnale elettrico in uscita, che può essere una tensione, una

corrente o una carica.

Proporzionalità tra ingresso e uscita del sensore

Questo segnale varia nel tempo in funzione della grandezza misurata e deve essere proporzionale

alla variabile di ingresso. È fondamentale conoscere il coefficiente di proporzionalità tra ingresso e

uscita; senza di esso non sarebbe possibile risalire quantitativamente alla grandezza misurata. Ad

esempio, per misurare la temperatura, se non conosciamo il coefficiente di conversione del sensore,

non possiamo determinare il valore reale della temperatura a partire dalla tensione rilevata.

Segnali analogici e visualizzazione

Sia l’ingresso sia l’uscita del sensore sono segnali analogici. In elettronica, i segnali di tensione

sono analogici e strumenti come l’oscilloscopio servono per visualizzarli. Tuttavia, il segnale in

uscita dal sensore non può essere utilizzato direttamente: deve essere processato. Ad esempio, un

sensore di temperatura può produrre un segnale di uscita molto basso, che deve essere amplificato.

Inoltre, può contenere rumore, che va filtrato. Per questi motivi si utilizza uno stadio di

condizionamento del segnale, che comprende amplificazione, filtraggio e altre operazioni di

adattamento.

Gestione della potenza nei sensori

Un altro aspetto fondamentale è la gestione della potenza. Esistono sensori attivi e sensori passivi.

Alcuni sensori, come quelli piezoelettrici, possono generare un segnale senza alimentazione esterna

(sono autoalimentati). Altri sensori necessitano di alimentazione esterna. In entrambi i casi, è

importante gestire la potenza, soprattutto nei dispositivi indossabili o portatili alimentati a batteria.

Ottimizzazione del consumo energetico nei dispositivi indossabili

Ad esempio, un sistema indossabile che monitora continuamente un parametro fisiologico, come un

elettrocardiogramma (ECG), per 24 ore, deve ottimizzare il consumo energetico. Se il dispositivo

misurasse e trasmettesse il segnale in continuazione, la batteria non durerebbe 24 ore. Per questo si

adottano strategie di risparmio energetico, come la lettura a intervalli regolari (ad esempio ogni 5

minuti invece che ogni secondo), prolungando così la durata della batteria e aumentando

l’efficienza del sistema.

Definizione di attuatore

Infine, come anticipato, il trasduttore può essere classificato anche come attuatore, dispositivo che,

al contrario del sensore, genera una risposta fisica o elettrica in uscita a partire da un comando.

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Ho aggiunto titoli coerenti con i concetti spiegati, mantenendo tutto il contenuto.

Differenza tra sensore e attuatore

A differenza dei sensori, che misurano un segnale di ingresso non elettrico convertendolo in un

segnale elettrico, un attuatore è un dispositivo al quale forniamo un ingresso di tipo elettrico e dal

quale otteniamo un’uscita non elettrica. In altre parole, lo alimentiamo elettricamente e otteniamo in

uscita una grandezza fisica diversa dall’energia elettrica.

Esempio di attuatore: la sonda per ultrasuoni

Un esempio classico di attuatore è la sonda per ultrasuoni. Le sonde per ultrasuoni sono costituite

da un generatore di ultrasuoni e dalla sonda stessa, che il medico appoggia sul corpo del paziente

per effettuare l’ecografia. All’interno della testa della sonda sono presenti piccoli elementi realizzati

con materiali particolari, tipicamente materiali piezoelettrici.

Principio della piezoelettricità nelle sonde a ultrasuoni

Secondo il principio della piezoelettricità, quando applichiamo un segnale elettrico a questi

elementi, essi si deformano; questa deformazione genera un’onda acustica, ovvero un’onda

ultrasonora. L’onda attraversa i tessuti biologici, rimbalza sulle interfacce tra tessuti con diversa

impedenza acustica e ritorna verso la sonda sotto forma di eco. In base al tempo di ritorno e alle

caratteristiche dell’onda riflessa, il sistema, attraverso un’elaborazione complessa, ricostruisce

l’immagine del tessuto analizzato.

La sonda a ultrasuoni come attuatore e sensore

Quando pilotiamo la sonda con un segnale elettrico, la utilizziamo come attuatore: forniamo un

ingresso elettrico agli elementi piezoelettrici e otteniamo in uscita un’onda meccanica. Quando

l’onda riflessa ritorna verso la sonda, invece,