IT201600079657A1 - Dispositivo e sistema di misura - Google Patents

Description

DISPOSITIVO E SISTEMA DI MISURA

DESCRIZIONE

Campo tecnico dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la misurazione indiretta di un parametro fisico/chimico di un ambiente di lavoro, calcolato sulla base di una caratterizzazione a distanza dello stato elettromagnetico di un transponder localizzato in tale ambiente, influenzato in maniera nota e misurabile da detto parametro fisico/chimico.

Background

I transponder sono dispositivi trasmettitori-risponditori (tag) che consistono generalmente di un chip elettronico atto alla memorizzazione di dati connesso elettricamente a una antenna. Tali dispositivi si basano generalmente su una tecnologia RFID. Per accedere in lettura o scrittura ai dati memorizzati nel transponder, si impiegano dispositivi definiti comunemente “lettori” o reader.

I reader di tipo convenzionale sono progettati per acquisire informazioni di natura “logica” dal tag (ovvero il contenuto della memoria non volatile del chip) ma non forniscono indicazioni sul comportamento dello “strato fisico”, cioè sul suo status elettromagnetico.

In particolare, esistono transponder definiti “attivi”, che dispongono di una propria fonte di alimentazione (es. batterie), e transponder “passivi”, che non possiedono una propria fonte di alimentazione elettrica. Tale sorgente di energia è necessaria qualora si voglia che l'elettronica del transponder continui a funzionare anche quando esso non si trovi in accoppiamento col reader (ad esempio se si richiede che esso operi come un datalogger). I transponder passivi sono alimentati, e dunque attivati, dal campo magnetico irradiato da rispettivi dispositivi lettori. Quando un transponder passivo è fuori dalla zona di copertura del campo elettromagnetico emesso dal lettore, esso è elettricamente spento, da cui la definizione “passivo”.

Nei sistemi RFID comunemente impiegati, l'informazione scambiata tra reader e transponder dipende dal contenuto della memoria del chip presente sul tag e dalle operazioni logiche che il lettore ad esso richiede. In alcuni contesti è tuttavia richiesto o auspicabile che l'informazione acquisita dal reader dipenda da uno o più parametri ambientali rilevabili dal tag.

In questo caso, a seconda della destinazione d’uso, è possibile che i transponder integrino sensori per la rilevazione di parametri ambientali. I tag con sensori a bordo devono essere in grado di interfacciarsi con l’esterno al fine di rilevare i parametri relativi all’ambiente in cui essi sono immersi.

In particolare, la rilevazione delle grandezze connesse al clima (pressione, temperatura, umidità), di quelle collegate alla presenza di gas o altri contaminanti chimici e al contatto con specifici agenti biologici riveste un ruolo cruciale nel determinare la pervasiva diffusione dei sistemi RFID sia in contesti civili sia industriali.

Casi applicativi possono essere previsti, tra l’altro, nel monitoraggio e controllo del funzionamento di apparati industriali e/o di ambienti “ostili”, ove gli spazi sono angusti e le condizioni ambientali sfavorevoli dal punto di vista sia chimico (presenza di contaminanti, agenti chimici, biologici) sia fisico (particolari condizioni di illuminamento, umidità, ecc.).

Inoltre, grazie ai costi molto contenuti e alla facilità di implementazione, i transponder si sono sempre più integrati in prodotti impiegati nella vita di tutti i giorni, anche per quanto riguarda prodotti usa e getta e imballaggi. Ad esempio, sono assai diffuse applicazioni nei settori del controllo di accesso, della logistica, in particolare per trasporto di bagagli, passeggeri, merci e sarebbe auspicabile che attraverso l’applicazione di opportuni sensori applicazioni correlate al monitoraggio di derrate alimentari potessero implementare il controllo sullo stato di conservazione dei prodotti, che appunto è inferibile una volta rilevati i parametri ambientali.

Gli approcci più consueti adottati nella realizzazione di tag sensibili prevedono la presenza a bordo del transponder, oltre che del sensore per il rilievo dei parametri ambientali, anche di un chip o di un microcontrollore specificamente realizzato per l'acquisizione, l’elaborazione e la memorizzazione dei dati raccolti dal sensore. In questi casi, le grandezze fisiche di interesse vengono trasdotte in segnali elettrici che sono poi digitalizzati e memorizzati nel chip del transponder finché non si effettua un’operazione di lettura dall’esterno.

Generalmente, nel caso dei transponder attivi, l’energia per acquisire i dati dai sensori è fornita da una sorgente di energia duratura. Nel caso di tag passivi o semi-passivi, l’energia necessaria a far funzionare il tag persiste per un tempo molto limitato. In particolare, i tag passivi estraggono l’alimentazione elettrica dalla portante del segnale trasmesso da un dispositivo lettore (reader) finché sono accoppiati con esso.

E’ altresì evidente che implementare la possibilità di acquisire il dato sensoriale a bordo del tag comporta l’utilizzo di chip più sofisticati, costosi ed energivori rispetto a quelli dedicati alle comuni PICC (proximity integrated Circuit cards).

Un approccio opposto consiste invece nello spostare al reader l'intelligenza necessaria a rilevare, digitalizzare, elaborare e memorizzare il dato acquisito dal sensore a bordo del tag. I vantaggi relativi a tal soluzione sono molteplici:

- non dover ricorrere a tag attivi - eliminando la necessità di batterie a bordo per alimentare il sensore;

- non accrescere il costo dei tag - poiché non occorrono chip specificamente progettati per tag sensibili; e

- gestire la complessità delle operazioni sui dati acquisiti sul lato reader, ove si può contare su una maggiore disponibilità di memoria di archiviazione e di risorse di calcolo.

In questo secondo caso, l’effetto del sensore sul sistema tag-reader consiste nel modulare il segnale elettrico scambiato tra il transponder e il reader in modo da non inficiarne la comunicazione, almeno secondo le modalità previste dagli standard più comunemente adottati, ma introducendo nel segnale informazioni relative alla grandezza trasdotta.

Lo svantaggio di questo approccio (rispetto all’adozione di un tag attivo) è però quello di poter acquisire la grandezza rilevata dal sensore unicamente quando il transponder è in accoppiamento col reader. Se il sensore ha un comportamento “istantaneo” (ossia senza memoria) ciò implica che unicamente lo stato attuale dell’ambiente di lavoro può essere acquisito. Se invece il sensore presenta un effetto memoria, la risposta elettromagnetica acquisita al reader risulterà dalla sequenza degli stati passati attraverso i quali l’ambiente di lavoro ha evoluto.

Allo stato dell’arte, per quanto riguarda l'approccio con analisi del segnale al reader, è riscontrabile la presenza di numerose applicazioni di sistemi RFID, in genere caratterizzati da elevata complessità.

Ad esempio, il documento US20120182147A1 descrive un tag UHF, la cui variazione di comportamento fisico è ottenuta deponendo un elemento sensibile su un'area precisa del loop o dell'antenna. È ulteriormente descritto un reader molto complesso, che utilizza contemporaneamente la demodulazione ASK e quella di fase.

Per quanto riguarda lo sviluppo di apparati idonei alla caratterizzazione dei sensori per gas e vapori, nel corso almeno degli ultimi 20 anni sono stati sviluppati sistemi dalla notevole complessità realizzativa e ingombro.

Essi presentano costi considerevoli non solo per la necessità di essere installati in laboratori forniti di complesse e costose utenze (linee gas puri, bombole ad alta pressione, eco.)

ma anche perché, se come nel nostro caso il metodo di rilevazione si basa sull’analisi dello spettro dell’ammettenza elettrica del transponder, la parte elettrica dell’apparato deve essere a sua volta un sistema di caratterizzazione da laboratorio poiché deve poter rilevare con precisione la presenza di picchi di risonanza e le relative variazioni nello spettro RF interessato dalla trasmissione. Detta strumentazione è tuttavia per sua natura costosa, ingombrante e delicata, quindi poco adatta ad essere trasportata o messa in funzione in ambienti reali (linea di produzione, scatola a guanti in ambiente di laboratorio chimico, eco.).

Sommario dell’invenzione

II problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione è pertanto quello di fornire un dispositivo di misura o meglio di acquisizione del dato sensoriale (per semplicità indicato anche come lettore o reader), associabile a transponder preferibilmente passivi, che consenta di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema viene risolto da un dispositivo secondo la rivendicazione 1.

Sono altresì presenti una rivendicazione di sistema 11 e una rivendicazione di metodo 19.

Caratteristiche preferite della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

L’invenzione fornisce un dispositivo di misura per la rilevazione a distanza di un parametro chimico/fisico di un ambiente di lavoro.

La rilevazione a distanza è realizzata mediante la caratterizzazione dello stato della parte RF del circuito elettrico risonante di un transponder localizzato nell’ambiente di lavoro considerato, in particolare mediante il confronto di tale stato (che si riflette sullo spettro di impedenza registrato al reader) con uno stato elettromagnetico di riferimento noto.

A tale scopo, il transponder è configurato in maniera da presentare un parametro magnetico/elettrico (tipicamente la capacità elettrica equivalente del circuito) variabile in funzione del parametro chimico/fisico da misurare secondo una legge nota rispetto ad una condizione di riferimento.

Il dispositivo di misura secondo la presente invenzione sostanzialmente comprende un’unità di controllo ed elaborazione di dati, un’unità di generazione di un segnale elettrico, un’unità di ricezione di un segnale elettrico di ritorno e mezzi di accoppiamento elettromagnetico con un transponder.

Tali mezzi di accoppiamento elettromagnetico con il transponder sono realizzati mediante un’antenna di trasmissione connessa all’unità di generazione del segnale elettrico, e un’antenna di ricezione configurata per concatenare il campo magnetico riflesso dal transponder.

L’antenna di trasmissione è configurata per la produzione di un campo magnetico in prossimità del transponder a partire dal segnale elettrico prodotto dall’unità di generazione. Detto campo magnetico, nel caso di trasponder di tipo passivo, provvede anche all’alimentazione del trasponder stesso.

L’antenna di ricezione è connessa all’unità di ricezione in modo tale da fornire a quest’ultima un segnale elettrico di ritorno correlato al campo magnetico riflesso dal trasponder.

Il campo magnetico riflesso dal trasponder, e dunque il segnale elettrico di ritorno ad esso associato, sono influenzati dalle variazioni del parametro elettrico/magnetico (o dei parametri elettrici/magnetici) del transponder sensibili al/i misurando/i di interesse. Il misurando è il parametro chimico/fisico da misurare.

L’unità di ricezione è progettata per estrarre dal segnale elettrico di ritorno un segnale elettrico contenente i parametri di interesse che sia idoneo ad essere acquisito e elaborato dall’unità di controllo. L’unità di controllo è a sua volta programmata per elaborare il segnale elettrico di ritorno, memorizzarlo e presentarlo opportunamente ad un sistema di elaborazione idoneo a calcolare il valore del parametro chimico/fisico dell’ambiente di lavoro.

In altre parole, il dispositivo dell’invenzione consente l'acquisizione remota della firma a radiofrequenza di un transponder RFID, preferibilmente di tipo passivo e anche di transponder sensibili. In dettaglio, il metodo implementato da tale dispositivo è idoneo alla caratterizzazione di dispositivi sensori integrati in tag RFID passivi.

Il problema tecnico è risolto acquisendo a distanza il segnale di risposta elettromagnetica relativa ad un transponder (trasmettitore - risponditore, o più semplicemente “tag”) ad esempio del tipo RF passivo, preferibilmente con sensore a bordo.

Secondo un particolare aspetto, lo scopo della presente invenzione è quello di identificare lo stato elettrico di un transponder a partire dallo spettro del segnale associato al campo magnetico ad esso concatenato quando in prossimità di un opportuno lettore.

Vantaggiosamente, se si considera un transponder il cui stato elettrico sia variabile in funzione di un parametro chimico/fisico dell’ambiente in cui è localizzato, il dispositivo dell'invenzione consente di misurare a distanza e in maniera indiretta tale parametro chimico/fisico mediante la caratterizzazione dello stato elettromagnetico del transponder.

Per fare ciò, è noto (nel senso che può essere calcolato e/o misurato) lo stato elettrico del transponder da prendere come riferimento (una volta opportunamente fissato il modello analitico del tag) che corrisponde ad un valore noto del parametro chimico/fisico neN’ambiente di installazione.

In particolare, noto uno spettro del segnale elettromagnetico riflesso dal transponder in una condizione di riferimento, si considera la sua variazione in funzione dei parametri deN’ambiente in cui è localizzato il transponder. La grandezza di cui si considera la variazione è preferibilmente la frequenza di risonanza, estrapolabile a partire dallo spettro del segnale secondo calcoli di tipo noto.

Questa informazione prescinde dal contenuto logico della memoria del chip integrato sul tag e in definitiva dal suo identificativo logico (nel caso degli RFID definito “UUID”). Pertanto, vantaggiosamente, è possibile operare anche su transponder RFID chip-less o danneggiati.

Se nella parte RF del circuito del transponder è presente un sensore, il sistema permette aN’utente di rilevare le variazioni della risposta elettrica del sensore stesso.

Vantaggiosamente, l'invenzione consente di evitare l’impiego della tradizionale strumentazione necessaria alla progettazione e la verifica dei tag RFID, riducendo costi e ingombri ad essa associati, configurandosi preferibilmente come un sistema portatile.

Secondo un ulteriore aspetto vantaggioso dell'invenzione, la grandezza rilevata dal sensore eventualmente a bordo del tag può essere di qualsivoglia natura, purché una variazione del misurando sia trasdotta in una variazione di impedenza elettrica. Dato l'ambito in cui l’invenzione s’inquadra, particolare importanza rivestono sensori di tipo chimico e in particolare i sensori di gas.

Vantaggiosamente, l’invenzione può trovare impiego in contesti quali ambiente contaminato, ostile o semplicemente inaccessibile, necessità di identificare la sorgente del dato sensoriale, ecc. in modo da consentire l’acquisizione remota dei valori trasdotti senza per questo ricorrere a strumenti di misura che, date le grandezze in gioco, si è già detto essere sofisticati, delicati, costosi ed energivori.

Per ottenere questo risultato, si progettato un lettore “personalizzato” (custom reader) che, diversamente dai lettori commerciali, non sia in grado di leggere il contenuto logico della memoria di un transponder, ma che sia piuttosto progettato per costruire una rappresentazione dello stato del sensore basandosi sull'interrogazione, frequenza per frequenza, dello spettro di intensità del segnale riflesso dal transponder.

In particolare, l’invenzione consente di rilevare le variazioni deN’ammettenza di un transponder - preferibilmente passivo - che possono essere dovute alla variazione deN’ammettenza di un sensore elettricamente connesso alla parte RF del circuito del transponder, allo stato di usura del tag o del chip oppure alla natura stessa del chip, delle interconnessioni o del substrato adottati nella sintesi del tag.

Vantaggiosamente, tale operazione è realizzata senza prevedere l’impiego di una connessione diretta (wired) tra il lettore e il circuito del tag, né di un analizzatore di reti (VNA), un analizzatore di spettro, un analizzatore d’impedenza, o un oscilloscopio, come invece richiesto dalle soluzioni presenti nella tecnica nota.

Secondo forme di realizzazione particolarmente vantaggiose, l’invenzione è preferibilmente di tipo portatile e risulta di basso peso e ingombri ridotti.

Secondo un ulteriore aspetto, l’invenzione presenta bassi costi di realizzazione e consumi energetici.

Inoltre, il dispositivo dell'invenzione può essere dotato di mezzi di connessione, ad esempio USB, con un computer o in generale reti di comunicazione.

In particolare, come verrà meglio apprezzato nella descrizione dettagliata a seguire, è possibile variare l'ampiezza dell'intervallo di frequenze da indagare, la risoluzione in frequenza con cui lo spettro delle variazioni viene acquisito e l’accuratezza della misura dell’ampiezza della risposta del tag.

Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, i tempi di acquisizione del segnale di risposta del trasponder al campo magnetico trasmesso dal dispositivo lettore sono molto contenuti (dell’ordine dei secondi).

Inoltre, vantaggiosamente, l’invenzione risulta essere un sistema estremamente economico (realizzabile mediante circuiteria commerciale ampiamente diffusa), accurato per quanto riguarda la generazione della frequenza di interrogazione (probing), non legato alla necessità di disporre di alimentazione elettrica da rete né di strumentazione di misura dedicata.

Ancora, delle forme di realizzazione di tag compatibili con il dispositivo dell’invenzione possono essere derivate in maniera semplice da tag RFID HF commerciali (ad esempio standard MIFARE) modificandone il circuito con l’inserimento di un sensore preferibilmente capacitivo in parallelo all’antenna.

Pertanto, l’informazione logica può essere recuperata mediante un reader standard (se le caratteristiche di banda passante e sensibilità del tag a valle della variazione dell’ammettenza del sensore risultano ancora compatibili con i sistemi RFID convenzionali) e i costi dei transponder risultano molto contenuti perché non occorre avvalersi di chip dedicati.

Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il sistema proposto presenta una configurazione flessibile, ad esempio il supporto (holder) per il tag contenente le antenne può essere distaccato dal corpo principale del dispositivo, affacciato a superfici di ambienti da monitorizzare o integrato in oggetti di uso comune, elementi architettonici o in altri prodotti.

In un’ottica di maggiore dettaglio, una modalità preferita dell’approccio seguito consiste nel modulare l’ammettenza del transponder attraverso la variazione di ammettenza di un sensore. Tale strategia si presta ad essere verificata anche in laboratorio attraverso gli strumenti di misura dell’impedenza, relativamente semplici da reperire e poco complessi.

In particolare, la progettazione e la verifica dei tag RFID compresi nel sistema dell’invenzione può essere supportata in laboratorio misurando lo spettro di ammettenza (o di impedenza) del sistema mediante l’utilizzo di un analizzatore di reti vettoriale (VNA) collegato ad una antenna standard wire-loop.

Infatti, quando nel circuito di un transponder RFID è collegato un sensore in grado di cambiare la propria impedenza in funzione del tipo e della concentrazione dell’analita, la variazione dell’impedenza complessa del sensore si riflette sullo spettro di ammettenza del tag.

Pertanto, attraverso un VNA connesso ad un’antenna di caratteristiche standardizzate, le variazioni nella risposta del sensore possono essere misurate a distanza.

Secondo un ulteriore aspetto, il dispositivo dell’invenzione è idoneo alla caratterizzazione dei sensori per gas e vapori, e può rivestire un ruolo importante nello sviluppo di nuovi materiali sensibili, dispositivi sensori, metodi di pattern-recognition e in generale sistemi sensoriali in grado di monitorare miscele complesse di gas e vapori.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo.

Descrizione breve delle figure

Verrà fatto riferimento alle figure allegate, in cui:

la Figura 1 mostra una vista schematica di una prima forma di realizzazione preferita di un sistema e di un dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 2 mostra una vista schematica di una seconda forma di realizzazione preferita di un dispositivo e di un sistema secondo la presente invenzione;

- la Figura 3 mostra un grafico esemplificativo di dati di calibrazione di un dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 4 mostra una vista schematica in pianta di una forma di realizzazione preferita di un transponder secondo la presente invenzione;

- la Figura 5 mostra una vista schematica in sezione trasversale di un condensatore a struttura interdigitata;

- la Figura 6 mostra un esempio di un condensatore a struttura interdigitata, tratto da “Progress In Electromagnetics Research B, Voi. 7, 2008”;

- la Figura 6A mostra una vista schematica di una forma di realizzazione preferita della geometria dei contatti di un condensatore a struttura interdigitata secondo la presente invenzione;

- la Figura 7 mostra una vista in prospettiva di una forma di realizzazione preferita di un supporto compreso in un dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 8 mostra viste in sezione del supporto mostrato in Figura 6;

- la Figura 9 mostra due grafici che illustrano rispettivamente l’andamento di una frequenza di risonanza del dispositivo in assenza di transponder e l’andamento della frequenza di risonanza del dispositivo in presenza di trasponder concatenato al suo campo magnetico;

- le Figure 10A-10D mostrano grafici delle curve di calibrazione del dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 11 mostra una forma di realizzazione preferita di un’architettura software di un programma di gestione del dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 12 mostra una modalità preferita di visualizzazione dei grafici relativi all’andamento di parametri associati al segnale elettrico del campo magnetico riflesso dal transponder;

- la Figura 13 mostra una forma di realizzazione preferita di un adattatore per una camera di test da applicare ad un dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 14 mostra una forma di realizzazione preferita di una camera di test per un dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 15 mostra una vista frontale e due viste laterali della camera di test di Figura 11 ;

- le Figure 16A e 16B mostrano rispettivamente un grafico in cui sono riportate delle curve di risposta del transponder al variare deN’umidità dell’ambiente di lavoro;

- la Figura 17 mostra spettri dell'inviluppo del segnale di risposta del transponder misurati attraverso il prototipo dell'invenzione;

- le Figure 18A e 18B mostrano rispettivamente un grafico della parte reale (R) e della parte immaginaria (X) dello spettro di ammettenza del segnale di risposta del transponder;

- la Figura 19 mostra un grafico delle frequenze di risonanza calcolate mediante una forma di realizzazione preferita del sistema secondo l’invenzione messe a confronto con le frequenze di risonanza calcolate a partire da misure effettuate con un analizzatore di reti vettoriale; i dati di partenza sono quelli estratti dai grafici di Figg. 17, 18A e 18B; e

- la Figura 20 mostra un diagramma di flusso esemplificativo di una forma di realizzazione preferita di alcuni passi del metodo secondo la presente invenzione.

Le figure suindicate sono da intendersi esclusivamente a fini esemplificativi e non limitativi.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite

Facendo inizialmente riferimento alla Figura 1 , una prima forma di realizzazione preferita di un sistema secondo la presente invenzione per la misurazione a distanza di un parametro chimico/fisico di un ambiente, basato sulla caratterizzazione dello stato elettromagnetico di un transponder localizzato in tale ambiente, è denotato complessivamente con 100.

Il sistema 100 comprende innanzitutto un dispositivo di misura o più semplicemente lettore (reader) 10 e un transponder 1, preferibilmente un tag RFID passivo, a cui si fa riferimento a seguire anche più semplicemente come tag.

Il transponder 1 è configurato in maniera tale da presentare uno o più parametri elettrici/magnetici variabili in funzione di detto parametro chimico/fisico rilevato, in particolare un parametro elettrico variabile quale un’ammettenza o impedenza elettrica. La variazione di tali parametri causa una corrispondente variazione del segnale elettrico associato al campo magnetico riflesso del transponder, in particolare della frequenza di risonanza dello spettro di intensità del segnale. Al fine di apprezzare tale variazione, i valori dei parametri elettromagnetici del transponder sono noti rispetto ad una condizione di riferimento, in cui è noto il valore del parametro chimico-fisico in oggetto.

II transponder 1 è equipaggiato preferibilmente con un sensore dedicato al rilievo di un parametro chimico/fisico dell’ambiente in cui è installato.

Ad esempio, il sensore può essere atto alla misurazione della concentrazione di un gas o della concentrazione di umidità nell’ambiente di installazione del tag 1. Come anticipato, il sensore è strutturato in maniera tale da variare uno o più dei suoi parametri elettromagnetici a seconda delle caratteristiche dell’ambiente in cui è immerso. Ad esempio, si può adottare un tag dotato di un sensore capacitivo, la cui capacità elettrica varia in funzione dell’umidità dell’ambiente di installazione.

Ad una variazione di capacità, o più in generale di una grandezza elettromagnetica, del sensore, corrisponde una commisurata variazione di capacità, o più in generale di un parametro elettrico nel circuito relativo al tag 1 considerato nel suo complesso.

Le specifiche elettromagnetiche del sensore, quanto quelle del tag, sono note a priori rispetto a condizioni ambientali di riferimento, secondo quanto già descritto.

Risulta particolarmente vantaggioso l'impiego di un sensore di tipo capacitivo, in particolare chem io-capacitivo il cui parametro elettrico/magnetico variabile in funzione del parametro chimico/fisico rilevato è la capacità elettrica.

Preferibilmente, sono impiegati sensori di tipo capacitivo che si comportano come un condensatore elettrico, in particolare presentante una struttura interdigitata.

Per un sensore configurato per la rilevazione deN’umidità neN’ambiente, la struttura del condensatore può comprendere preferibilmente un substrato di allumina, due contatti in oro serigrafati e un polimero igroscopico presentante elevata affinità con l’acqua, preferibilmente solubile in acqua, quale sostanza sensibile al parametro da misurare, ad esempio poli(vinil alcool).

Il lettore o reader 10 è configurato per la caratterizzazione a distanza dello stato elettromagnetico del transponder 1 e per la conseguente misurazione indiretta del parametro chimico/fisico dell’ambiente misurato appunto dal transponder 1.

La caratterizzazione dello stato elettromagnetico del tag è effettuata dal lettore 10 sostanzialmente mediante la trasmissione a distanza di un segnale elettromagnetico al transponder 1, l’acquisizione a distanza del segnale di risposta elettromagnetica dello stesso transponder e l’estrapolazione dello status elettromagnetico del tag 1 mediante elaborazione del segnale di risposta. Per effettuare la caratterizzazione dell’ambiente in cui il tag è immerso, perlomeno rispetto al parametro fisico/chimico in funzione del quale sono variabili i parametri elettromagnetici del sensore a bordo del tag, si effettua la comparazione di tale status elettromagnetico di risposta con lo status elettromagnetico del tag -noto a priori- in una condizione di riferimento in cui è noto il valore del parametro chimico/fisico considerato. Naturalmente, è nota anche la legge che esprime la variazione del/i parametro/i elettromagnetico/i del sensore in funzione del parametro chimico/fisico considerato.

A tale scopo, il dispositivo 10 comprende un’unità di controllo ed elaborazione di dati 6, un’unità di generazione 5 di un segnale elettrico e un’unità di ricezione 7 di un segnale elettrico di ritorno entrambe connesse all’unità di controllo ed elaborazione 6, e dei mezzi di accoppiamento elettromagnetico 4 con il transponder 1.

In particolare, l’unità di generazione 5 è configurata per generare un segnale elettrico sinusoidale, preferibilmente controllato numericamente, dall’unità di controllo ed elaborazione 6. Preferibilmente, l’unità di generazione 5 comprende un sintetizzatore digitale di segnale, ad esempio un sintetizzatore digitale diretto, per 1’impostazione della frequenza di alimentazione del segnale elettrico.

I mezzi di accoppiamento elettromagnetico 4 con il transponder 1 comprendono un’antenna di trasmissione ( probing coi I) 2, connessa all’unità di generazione 5, configurata per la diffusione di un campo magnetico corrispondente al segnale elettrico dell’unità di generazione 5 in corrispondenza del transponder 1.

Ulteriormente, i mezzi 4 comprendono un’antenna di ricezione ( sensing coi I) 3, connessa all’unità di ricezione 7, configurata per concatenare il campo magnetico riflesso dal transponder 1.

Le antenne di trasmissione e di ricezione 2, 3, possono comprendere ciascuna un solenoide. Preferibilmente, l’antenna di trasmissione 2 è configurata per la diffusione di un campo magnetico che sia idoneo anche all’alimentazione del transponder 1 , quando questo è di tipo passivo.

In particolare, l’antenna di trasmissione 2, l’antenna di ricezione 3 e il transponder 1 costituiscono un sistema ad anello chiuso dal punto di vista elettromagnetico.

L’antenna di ricezione 3 è ulteriormente configurata per trasmettere un segnale elettrico di ritorno corrispondente al campo magnetico riflesso dal transponder 1 -funzione del parametro elettromagnetico variabile del transponder 1- all’unità di ricezione 7.

Tale unità di ricezione 7 è programmata per trasmettere detto segnale elettrico di ritorno all’unità di controllo e elaborazione 6, che è a sua volta programmata per elaborare il segnale elettrico di ritorno.

L’unità di controllo e elaborazione 6 è configurata per calcolare un valore del parametro chimico/fisico dell’ambiente di lavoro in cui è localizzato il tag 1 sulla base del confronto tra il segnale elettrico di ritorno acquisito e un segnale elettrico di ritorno di riferimento in condizioni ambientali note e delle relazioni tra detto parametro e il segnale elettrico di ritorno.

Come anticipato, il campo magnetico riflesso dal transponder 1 e il corrispondente segnale elettrico di ritorno inviato all’unità di controllo e elaborazione 6 sono variabili in funzione del parametro elettromagnetico variabile del tag 1. In particolare, la variazione dell’impedenza complessa del sensore si riflette sullo spettro di ammettenza del transponder, pertanto questa caratteristica può essere misurata a distanza.

L’unità di ricezione 7, connessa all’unità di controllo ed elaborazione 6, può essere ulteriormente progettata per eseguire un condizionamento del segnale elettrico di ritorno prima di trasmetterlo a detta unità di controllo e elaborazione 6.

Il condizionamento è effettuato per consentire una lettura più accurata del segnale, dunque per apprezzare meglio le variazioni del parametro elettromagnetico variabile e di conseguenza per calcolare con maggiore accuratezza il parametro chimico/fisico dell’ambiente monitorato in funzione del quale il parametro elettromagnetico è variabile. In particolare, l’unità di ricezione 7 comprende un demodulatore 8 di ampiezza del segnale elettrico corrispondente al campo magnetico riflesso dal transponder e un convertitore A/D 9 del segnale elettrico, atto a convertire il segnale da analogico a digitale.

Secondo forme di realizzazione preferite dell'invenzione, l’unità di ricezione 7 comprende il demodulatore 8, il convertitore 9 e l’antenna di ricezione 3. In particolare, tra la sensing coil 3 e il demodulatore 8 è possibile introdurre un circuito di accordatura in grado di adattare la banda passante dell’unità di ricezione 7 alle caratteristiche di banda dello spettro di inviluppo da rilevare. L’unità di controllo e elaborazione 6 è programmata per elaborare il segnale elettrico di ritorno condizionato dall’unità di ricezione 7 e per calcolare il parametro chimico/fisico dell’ambiente in funzione di detto segnale elettrico di ritorno condizionato, secondo le considerazioni illustrate in precedenza. Inoltre, l’unità di controllo e elaborazione 6 può essere configurata anche per ritrasmettere semplicemente i dati relativi all’inviluppo ad un sistema di elaborazione di classe superiore. Mezzo, quest’ultimo, idoneo all’estrazione dei parametri fisici da misurare a partire dallo spettro del segnale inviluppato. In particolare, l’unità di controllo e elaborazione 6 è programmata per l’elaborazione di uno spettro di intensità associato al campo magnetico riflesso dal transponder, funzione del parametro elettrico/magnetico variabile. Dallo spettro di intensità (o firma RF) possono essere estrapolati i parametri elettrici che qualificano e quantificano le prestazioni del canale trasmissivo (e in definitiva del transponder 1), quali ad esempio frequenza di risonanza, banda passante, fattore di qualità, ecc..

Esempi di tale elaborazione e calcoli verranno illustrati a seguire.

Inoltre, l’unità di controllo ed elaborazione 6 può comprendere dei mezzi di interfaccia 12 per consentirne il comando (anche in remoto) da parte di un utente. Secondo una forma di realizzazione preferita del dispositivo dell'invenzione, i mezzi di interfaccia 12 comprendono preferibilmente un monitor per la visualizzazione dello spettro elettromagnetico associato al campo magnetico riflesso dal transponder e il software che si interfaccia col sistema di acquisizione, rappresenta i grafici relativi ad ulteriori elaborazioni ed espone i controlli necessari alla configurazione del reader.

Come anticipato, uno scopo dell’invenzione è quello di identificare lo stato elettrico di un transponder a partire dallo spettro del segnale associato al campo magnetico ad esso concatenato. Qualora nella parte RF del circuito del transponder sia presente un sensore, come nella forma di realizzazione preferita dell'invenzione prima descritta, il sistema consente aN’utente di rilevare le variazioni della risposta elettrica del sensore stesso.

L’acquisizione dei dati sensoriali può essere effettuata non solo da un singolo transponder, ma in parallelo da un array di transponder sensibili, replicando l’architettura del dispositivo lettore 10, oppure serialmente, portando di volta in volta nuovi transponder in prossimità dell’apparato lettore il tag-sensore di riferimento, o ancora multiplessando il canale di acquisizione e replicando le antenne di interfacciamento col transponder.

Di seguito verrà descritta in maniera dettagliata una variante prototipale maggiormente dettagliata dell’architettura del sistema 100 dell'invenzione.

Un sistema di interfacciamento del dispositivo di misura 10 sintetizza un segnale sinusoidale di frequenza variabile e lo trasmette al tag accoppiandosi con esso attraverso l’antenna o bobina interrogazione 2 (“probing coil”). La catena di acquisizione rileva l’inviluppo del segnale elettrico dovuto al flusso magnetico che si concatena al solenoide dell’antenna di ricezione 3 (“sensing coil” - SC) frapposto tra l’antenna o bobina trasmittente 2 (anch’essa a forma di solenoide) e il tag 1 equipaggiato (o meno) col sensore.

La tecnica implementata per la caratterizzazione del transponder 1 si basa quindi sull'intercettazione del segnale trasmesso tra un generatore sinusoidale controllato numericamente e un transponder 1. Le costanti di tempo naturali relative allo strato fisico del transponder e l’eventuale presenza di un sensore inteso come componente elettronico dotato di una propria impedenza elettrica introducono uno o più picchi di risonanza nell’intero sistema 100. Tali picchi possono essere rilevati acquisendo lo spettro del segnale alla probing coil 2.

Tra la bobina trasmittente 2 del lettore 10 e l’antenna ricevente del transponder 1, il flusso magnetico viene concatenato ad una bobina di lettura 3 aggiuntiva secondo un approccio “Man-ln-The-Middle” (MITM), come schematizzato in Figura 1 e 2.

Trascurando le non linearità (che generalmente si innescano in tag dotati di chip), il segnale elettrico prelevato dalla bobina di sensing 3 è caratterizzato da una frequenza pari a quella del segnale generato e da una ampiezza dipendente dal modulo dell’impedenza del canale trasmissivo, e quindi in definitiva dallo stato elettrico del sensore.

Uno spettro di intensità correlato al campo concatenato alla SC 3 può essere costruito variando la frequenza del generatore che alimenta la probing coil 2 (PC) e registrando l'inviluppo del segnale rilevato dalla SC 3. Per fare ciò, è necessario connettere la SC con un demodulatore d’ampiezza (ASK demodulator), che nel caso più semplice può essere realizzato attraverso un raddrizzatore a singola semionda, come illustrato in maniera dettagliata in Figura 2.

Si consideri un tag sensibile comprendente un sensore per il rilievo di un parametro chimico/fisico dell’ambiente di lavoro in cui è installato il tag, ad esempio per il rilievo dell’umidità ambientale. Potendo schematizzare il tag come un circuito RL-C risonante con i condensatori in parallelo (vedi ancora Fig. 2), in prima approssimazione, la frequenza di risonanza del tag può essere stimata dalla legge di Thomson:

fr= i (Eq. 1)

Dalla legge proposta si osserva che è conveniente che il sensore sia di tipo capacitivo perché, in primo luogo, la frequenza di risonanza non dipende da attenuazioni che possono verificarsi a causa di distanze diverse tra il transponder e le bobine del lettore (SC e PC), e in secondo luogo perché detto parametro può essere stimato dal massimo del segnale di inviluppo prescindendo (fatti salvi limiti di sensibilità strumentale) dall’ampiezza di predetto massimo. Ciò in virtù del fatto che la frequenza di alimentazione è imposta attraverso il sintetizzatore diretto digitale di segnale (DDS), dunque la frequenza di risonanza può essere stimata con buona precisone poiché è generalmente fissata per costruzione.

Al fine di alimentare il transponder, la bobina di probe è collegata ad un DDS, che in un prototipo dell'invenzione è basato sul chip AD9850 dell’Analog Devices®. Il DDS in questione produce un segnale sinusoidale “spettralmente puro”, di frequenza compresa tra 1Hz e la metà della frequenza di clock di riferimento, che nel presente caso è 125MHz.

Pertanto, la sinusoide di massima frequenza ottenibile è di 62.5MHz. Nel DDS, la frequenza di uscita teorica è proporzionale al valore assunto da una “tuning word” {ΔΦ) che esprime il valore della frequenza della sinusoide da sintetizzare, descritta da un intero a 32bit con la quale è possibile programmare il sintetizzatore.

La frequenza in uscita all’oscillatore sarà quindi espressa dalla relazione:

fck-ΔΦ

ose (Eq. 2) 2<3Z>

essendo fa la frequenza di clock al DDS {fa =125MHz), 232 il numero di valori assumibili dalla tuning word e ΔΦ il valore della tuning word.

Nella fattispecie, il termine “tuning word”, nel caso ad esempio del sintetizzatore AD9850, identifica un intero a 32bit (e in generale un intero a N bit) proporzionale al fattore per il quale la frequenza di clock del DDS viene divisa al fine di ottenere la frequenza del segnale sintetizzato. E’ infatti noto che tale fattore di proporzionalità vale in generale: ΔΦΙ2<Ν>e che 0 < ΔΦ ≤ 2<N>-1. Poiché il DDS può essere pensato come un divisore di frequenza digitale, esso risulta paragonabile ad una tabella di lookup che comprende 2<N>locazioni, ciascuna delle quali contiene un campione di un periodo di un segnale sinusoidale. Detta tabella viene scandita indirizzando la successiva locazione prescelta una volta ogni impulso di clock (quindi a intervalli regolari di Mfa) incrementando l’indirizzo di una quantità pari a ΔΦ. Ne segue che ogni intervallo di tempo Mfa la fase del segnale sinusoidale incrementa proporzionalmente a ΔΦ, essendo ΔΦ il numero di indirizzi di cui ad ogni impulso di clock si avanza nella scansione della tabella lookup. Naturalmente la sequenza dei valori prelevati con questo metodo dalla lookup table viene riconvertita in segnale analogico (mediante un convertitore digitale-analogico - DAC) e opportunamente filtrata per evitare la presenza di repliche.

Lo spettro di uscita conterrà sia la sinusoide sintetizzata sia le sue repliche, la prima delle quali avrà frequenza fck- fosc.Inoltre, a causa del filtro zero-orderhold in uscita al DAC (Digital to Analog Converter) del DDS - il DAC rappresenta lo stadio finale del DDS che ricostruisce la versione analogica del segnale sinusoidale a partire dai suoi campioni estratti dalla tabella di lookupl’ampiezza della sinusoide generata non sarà costante su tutto lo spettro, ma proporzionale al modulo della funzione: sinc(f/fck) = sen(n f/f^) / (π f/fck).

Per questo motivo, nella rilevazione dell'inviluppo del segnale alla SC, è necessaria un’operazione di normalizzazione, che per semplicità può essere realizzata via software, ad esempio secondo i dati riportati nella Figura 3. I dati di calibrazione mostrati in Figura 3 sono ottenuti da una acquisizione dello spettro una volta connesso il DDS direttamente al rilevatore d’inviluppo, in assenza delle bobine di probing e sensing.

Nella rappresentazione di Figura 3, l’ampiezza del segnale rilevato dal demodulatore connesso alla SC è stata digitalizzata attraverso un ADC a 10 bit e rappresentata in funzione della frequenza del segnale forzato dal DDS. Pertanto, il valore in ordinata è espresso in una scala da 0 a 2<10>-1 = 1023 ed è proporzionale alla tensione elettrica ai capi dell’ADC mediante il potenziale di riferimento dell’ADC, che nella fattispecie vale 1.1V. La presenza del riferimento è conseguenza del fatto che l’ADC adottato è di tipo SAR.

Sulla base di questa normalizzazione, e in assenza di transponder, il lettore rileva un picco nello spettro dell'inviluppo, Venv(f), alla propria frequenza di risonanza naturale dovuta prevalentemente al valore dell’induttanza della bobina di probe e dell’impedenza esposta alla propria porta d’ingresso dal rilevatore d’inviluppo.

In fase di prototipazione del sistema dell’invenzione, per analizzare le letture ottenute attraverso il lettore così realizzato, si è costruito un transponder di prova, denominato nel seguito “dummy tag” per sottolineare che esso rappresenta un modello fittizio (ma congruente coi parametri elettrici tipici) del transponder reale.

In dettaglio, il dummy tag è un transponder (preferibilmente chipless) di riferimento costruito allo scopo di calibrare il reader così come definito nell’architettura sopra descritta (Fig. 1) e al contempo studiare la risposta in frequenza di sensori capacitivi quando connessi ad un’antenna di tipo noto.

Il dummy tag consiste di un’antenna realizzata su circuito stampato di spessore 12.5pm, dotata di pad tra i quali sono saldati due reofori per la connessione di un chip o di un carico reattivo. Scopo di questo connettore è consentire il collegamento di dispositivi di taratura o di sensori da testare. In particolare, ai morsetti del dummy tag sono connessi condensatori discreti, di capacità precedentemente misurata con strumentazione da laboratorio (analizzatori di impedenza).

In Figura 4 è mostrata una forma di realizzazione preferita dell’architettura del dummy tag, mentre in Figura 9 è riportato in un grafico il confronto tra la frequenza di risonanza spontanea del reader e quella in presenza di dummy tag non collegato a carico capacitivo.

Utilizzando il dummy tag in accoppiamento con i carichi capacitivi calibrati, sono state ricavate curve di calibrazione della frequenza del primo picco di risonanza in funzione della capacità del condensatore di carico, riportate a titolo esemplificativo nelle Figure 10A e 10B.

In base ai dati di figura 10A (simboli), è possibile esprimere la frequenza di risonanza secondo il modello già descritto nella Equazione 1 in cui si è posto CChip= 0F (Fig. 10B). In queste ipotesi, essendo lineare la relazione tra 1/ωΓ<2>e la capacità di carico Csensor(con ω,= 2π·ί) -che nei grafici è denominata C(F)~ dalla Figura 10B si nota che il modello è in buon accordo con i dati sperimentali quando si assumono: Lanf=6.17pFI, Ctuning= 8.27pF.

È da notare che, collegando uno o più condensatori ai capi dei reofori del dummy-tag, si realizza uno schema elettrico che circuitalmente riproduce il circuito del tag di Figura 2. la cui frequenza di risonanza è calcolata mediante l’Eq. 1. Resta da notare che pur non essendo fisicamente presente sul dummytag una capacità di tuning così come schematizzata in Fig. 2 e riportata dalla Eq. 1, è sempre riscontrabile un fattore capacitivo (che possiamo ancora chiamare capacità di tuning) a causa degli accoppiamenti parassiti tra le piste dell’antenna e il substrato. Il valore estratto per Lantdal modello LR-C può essere confrontato con quello misurato mediante un analizzatore d’impedenza alla frequenza di 10MHz (nel caso in oggetto, i limiti del sistema di caratterizzazione non consentono di andare oltre): Lant(misurata)= 7.27μΗ, Rant(misu rata)<=>3.3 Ω , validando l’approccio seguito.

Successivamente alla verifica del sistema con condensatori commerciali, ne è stato effettuato il test. In dettaglio, nell’intento di validare il reader, si sono effettuate le prime prove sperimentali misurando il “dummy tag” al quale attraverso lo zoccolo a due reofori è stato collegato un sensore ospitato da un substrato (in allumina) a parte.

In particolare, è stato scelto un sensore capacitivo e sono state registrate le variazioni di firma RF in presenza di differenti concentrazioni di umidità.

La scelta di un sensore capacitivo è attraente anche perché consente di ridurre la potenza attiva e quindi di progettare transponder energeticamente più efficienti, di rendere la rilevazione meno dipendente dalla distanza tra il sensore e il reader e più accurata poiché si basa sulla valutazione dello spostamento della frequenza di risonanza (si noti che la frequenza della portante è stabilita dal DDS con una precisione elevata - nel dimostratore: 1 Hz).

Inoltre, come già accennato, i sensori chimico-capacitivi si stanno dimostrando efficaci nel sensing di umidità ambientale, ma anche di solventi, composti volatili organici (VOC), materiali chimici tossici, prodotti per impiego bellico, esplosivi inquinanti (diossido di carbonio e ammoniaca), eco..

Si presenta a seguire un’analisi e una descrizione di una forma di realizzazione preferita dell’architettura del sensore da adottare.

Secondo una forma di realizzazioni preferita della presente invenzione, il sensore a bordo del tag comprende un condensatore, il cui valore di capacità elettrica varia in ragione della concentrazione dell’analita (VOC, gas, eco.) a cui esso viene esposto.

Come è noto, la capacità elettrica di un condensatore è proporzionale alla permittività dielettrica del materiale isolante, in particolare ε = ε0<'>εηessendo ε0la costante dielettrica del vuoto e εΓla costante dielettrica relativa del materiale isolante.

Pertanto, la variazione della capacità del condensatore a causa dell’esposizione ad un gas/vapore modifica la costante dielettrica relativa del materiale in funzione della percentuale di analita che penetra nel materiale isolante.

Alle frequenze di interesse, i valori di capacità da introdurre per l’accordatura della rete del tag sono nell’ordine dei pF (picoFarad).

Questi valori sono particolarmente agevoli da ottenere anche senza fabbricare necessariamente condensatori a facce piane e parallele, ma ricorrendo preferibilmente ad una struttura interdigitata, la cui sezione trasversa è mostrata a titolo esemplificativo in Figura 5.

A causa di questi ed altri motivi (che saranno resi espliciti nel seguito), è preferibile una struttura IDC (Inter-Digital Capacitor) che, a differenza di un condensatore a facce piane e parallele, presenta armature coplanari.

Vantaggiosamente, questa tipologia di condensatori si può realizzare in due soli passi di processo (deposizione armature sul substrato e deposizione isolante).

Inoltre, i condensatori a struttura interdigitata presentano il dielettrico con una faccia completamente esposta all’analita (poiché non oscurata dall’armatura stessa), e sullo stesso dielettrico è possibile evitare processi di curing, che sono invece consigliabili in strutture ad armature sorapposte. Il tipo di geometria impiegata è idonea ad ottenere valori di capacità nell’ordine dei pF così come richiesto per la specifica applicazione realizzata.

In particolare, quest’ultima soluzione è reputata preferibile poiché i condensatori interdigitati (Inter Digitated Capacitors - IDC) presentano:

- elevata superficie esposta all’analita: è noto infatti che la sensibilità e il limite inferiore di rilevamento di un trasduttore di questo tipo dipendono dalla superficie che partecipa all’interazione con l’ambiente, e che quindi il rapporto superficie-volume risulta essere un fattore determinante;

- complessità realizzativa ridotta: questo tipo di architettura può essere fabbricata depositando contemporaneamente le due armature del condensatore sul substrato (qualora si proceda per serigrafia o deposizione da fase vapore o altra tecnica additiva) o effettuando il patterning del layout delle armature partendo da uno strato conduttivo uniforme mediante tecnica sottrattiva (fotolitografia, ecc.); e

- maggiore immunità ai difetti, poiché il dielettrico viene applicato dopo aver realizzato le armature, pertanto è più semplice ottenere condensatori privi di pinhole, più semplici da verificare e più affidabili.

La struttura di IDC (“Inter-Digitated Capacitar” o “Condensatore interdigitato”) impiegata nel prototipo in oggetto è costituita da un substrato di allumina con due contatti in oro serigrafati, avente la geometria illustrata in Figura 6 e 6A, di cui si riportano in Tabella 1 dei parametri geometrici preferiti.

Tabella 1

Larghezza finger (Au) 400 pm

Distanza tra i finger (Gap) 300 pm

Lunghezza area affacciata finger 4200 pm

Lunghezza finger 5600 pm

Spessore oro 80 pm

Larghezza piste 1000 pm

Numero di finger 10

Per quanto riguarda la capacità elettrica, nelle ipotesi di un film dielettrico omogeneo e isotropo, questa può essere calcolata sommando il contributo delle “celle” che compongono l’interdigitato, secondo calcoli noti.

Che la capacità elettrica di questo dispositivo sia compatibile con l'applicazione ipotizzata può essere dedotto dai modelli sviluppati per gli IDC. In dettaglio, la capacità elettrica del dispositivo di Fig. 6A può essere espressa dalle relazioni:

CT0TALE= CCeua(N — 1) L (Eq. 3) K(jl-(a/b)<2>^

Cella C^r<Z>k) (Eq. 4)

K(a/b)

Questa relazione esprime la capacità totale CTOTALEdi un condensatore interdigitato avente N dita o finger di lunghezza L disposti secondo la geometria di Fig. 6a in funzione della capacità della cella unitaria Cce//adell’IDC.

La cella unitaria dell’IDC è un elemento dell’architettura ripetuto con uniforme passo di periodicità spaziale b che contiene due finger di spessore t che distano tra loro di una lunghezza a. Nell’Equazione 4, ε0è la costante dielettrica del vuoto, εΓla costante dielettrica relativa del substrato, la costante dielettrica relativa del dielettrico e K l’integrale ellittico completo della prima specie.

Ne consegue che la capacità del sensore varia proporzionalmente alla variazione della costante dielettrica relativa media del dielettrico sensibile. Nell’approssimazione di Maxwell Gameti, la costante dielettrica media dipende dalla frazione volumetrica dell’analita assorbito dallo strato di dielettrico sensibile. Pertanto, è possibile fare una stima preventiva della variazione della frequenza del picco di risonanza di un tag in funzione della concentrazione volumetrica dell’analita o una analisi a posteriori dei dati relativi alla frequenza di risonanza.

Sulla base dei modelli per la capacità del sensore e per la costante dielettrica media (Maxwell Gameti) è possibile stimare quale sarà la risposta del dummy tag (vedi grafici di Fig. 10C e 10D) in funzione della concentrazione volumetrica dell’analita nel film sensibile.

I grafici delle Figure 10C e 10 mostrano una simulazione della risposta del dummy tag alla variazione della frazione volumetrica di analita nel film sensibile. N particolare, la Figura 10C mostra la relazione tra la frequenza di risonanza del transponder e la costante dielettrica equivalente del film sensibile (risulta dalla variazione di costante dielettrica del film in combinazione con la costante dielettrica dell’analita), e la Figura 10D mostra la relazione tra la frequenza di risonanza del transponder e la frazione volumetrica dell’analita nel film sensibile prevista attraverso la relazione di Maxwell Garnett.

Le simulazioni considerate sono state ottenute ipotizzando il substrato in allumina ( εΓ(Αΐ2θ3)= 9.19), l’induttanza L del dummy tag pari al valore misurato L=6.17pH, la capacità totale del dummy tag pari a Co=8.27pF, la costante dielettrica dell’analita pari a quella dell’acqua ( εΓ(Η2ο, 25°c;=78), la costante dielettrica del film sensibile pari a quella del PVA e l’architettura dei contatti uguale a quella mostrata in Fig. 6A.

Questa approssimazione, sia pure con tutti i limiti imposti dalle semplificazioni eseguite, mostra che è possibile ottenere variazioni di frequenza di risonanza anche di 1MHz in corrispondenza delle condizioni operative descritte e che la massima sensibilità è ottenuta per piccoli valori di frazione volumetrica di analita.

Verrà ora descritta in maggiore dettaglio una forma di realizzazione preferita dell’architettura del sensore impiegato nel prototipo del sistema secondo la presente invenzione.

Un sensore capacitivo in grado di rilevare l’umidità dell’aria è stato prodotto per drop-casting di una soluzione di un polimero igroscopico depositata su una struttura di contatti di oro interdigitati. Il polimero prescelto come materiale sensibile è il poli(vinil alcool) (PVA), un materiale di basso costo, facilmente lavorabile da soluzione. Il PVA è caratterizzato da un’alta affinità con l’acqua grazie all’alto numero di gruppi ossidrilici presenti nella sua struttura, che lo rendono in grado di assorbire molecole di acqua e formare legami ad idrogeno con essa. Ciò produce un cambiamento della costante dielettrica dei film sensibili, anche tenendo conto della differenza tra le due costanti dielettriche relative (2.5 per il PVA e 80 per l’acqua quando misurate a 20°C e a 1kHz). Diversi studi hanno messo in luce la possibilità di impiegare questo polimero in applicazioni sensoristiche per la rilevazione deN’umidità in un ampio intervallo di frequenze (0.2-20 GHz).

Il sensore è stato realizzato a partire da una soluzione acquosa di PVA preparata sciogliendo a caldo il PVA (massa molecolare media pesata Mw= 67000g/mol) in acqua deionizzata in concentrazione 100mg/mL. La massa molecolare e la concentrazione del polimero sono state definite in modo da rendere la soluzione anche idonea a potenziali processi di stampa mediante tecnologia ink-jet printing che necessitano di specifiche proprietà chimico-fisiche degli inchiostri da dispensare e che potrebbero risultare di interesse per una eventuale industrializzazione del prototipo di sensore. La scelta di questo materiale è indicata per rilevare variazioni di umidità, essendo noto che l’acqua è un solvente per il PVA e che, a causa della differenza tra le due costanti dielettriche relative, si prevede un aumento della capacità del sensore al crescere del valore di RH%.

Si descriverà ora in maggiore dettaglio una forma di realizzazione preferita dell’architettura fisica del dispositivo di misura (reader).

La parte elettrica del reader consiste della board del microcontrollore (che integra l’ADC, il riferimento di tensione per il convertitore e l'interfaccia USB) connessa alla board del DDS e infine da un circuito stampato contenente il demodulatore di ampiezza, come schematizzato in Figura 2.

In Figura 7 è mostrato in dettaglio la sede o supporto 14 per le bobine del reader.

Le bobine di sensing e di probing sono avvolte sul supporto 14, progettato per minimizzare la distanza tra l'interfaccia del reader e il transponder.

In particolare, il transponder (nel prototipo ipotizzato in forma di card con geometria ISO/IEC 7810 ID-1) è appoggiato sul supporto 14 in corrispondenza della sede del transponder 15, che nella fattispecie presenta come dimensioni preferite 85,60 mm x 53,98 mm ma potrebbe naturalmente avere dimensioni arbitrarie. Allineate alla sede del transponder 15, sono presenti la PC e la SC nelle relative sedi 16, 17, avvolte su di un nucleo di materiale plastico di cui è fatto il supporto 14.

I conduttori (“trefoli”) isolati che costituiscono le bobine sono condotti nella zona esterna alle spalle del supporto attraverso le scanalature 18. Le sedi delle bobine sono visibili meglio nella vista in sezione del supporto mostrata in Figura 8.

Sempre con riferimento alla Figura 8, la parte rettangolare tratteggiata inclusa nella sede del transponder 15 è il nucleo degli avvolgimenti PC e SC.

Si descriverà ora in maggiore dettaglio una forma di realizzazione preferita dell’architettura software che governa l’unità di controllo e elaborazione del dispositivo lettore, chiamata a seguire per semplicità microcontrollore.

Il firmware del microcontrollore del reader gestisce le operazioni di acquisizione dall’ADC e il protocollo di comunicazione verso il computer.

Tralasciando le funzioni accessorie, esso opera ripetendo in ciclo sostanzialmente le seguenti operazioni:

- attendere un comando dall’interfaccia seriale;

- se arriva un comando di acquisizione (singola, multipla, in log), impostare l’oscillatore (DDS) alla frequenza FSTART;

- inviare sulla interfaccia seriale la riga: “>start”:

1. leggere dall’ADC il valore dell’inviluppo segnale sulla PC;

2. inviare sul canale seriale una riga contenete il valore della frequenza impostata (long) seguito dal carattere «tab» e dal valore letto dall’ADC (intero a 10bit);

3. incrementare la frequenza «f» del DDS del valore FSTEP;

4. se f <= FSTOP tornare al passo 1 ;

- inviare sulla seriale la riga: “>stop”.

Attraverso opportuni comandi di configurazione, possono essere impostate la frequenza di partenza (limite inferiore) per l’acquisizione dello spettro (FSTART), il limite superiore in frequenza della scansione (FSTOP), il passo di acquisizione in frequenza (FSTEP), il tempo di attesa tra una acquisizione e l’altra e il numero di riletture del campione dall’ADC (le riletture vengono mediate via software per fornire con un valore più accurato per il segnale di inviluppo Venv).

A corredo del reader, una opportuna interfaccia software per computer è stata implementata al fine di acquisire i dati attraverso interfaccia seriale dal reader e variare i limiti della misura (numero di riletture, risoluzione in frequenza, intervallo di misura ecc.).

In Figura 11 si riporta un’architettura preferita esemplificativa del programma di gestione del reader.

Il software, scritto in particolare in linguaggio Java™, è una applicazione desktop. Esso apre in lettura una porta seriale del computer (tipicamente emulata da una porta USB) e attende l’arrivo dei dati dalla scheda del microcontrollore. Ogni arrivo di uno o più byte genera un evento che provoca la scrittura dei dati relativi in un buffer. Quando nel flusso di dati viene incontrato il carattere di a capo (“\n”), una riga è pronta. In questo caso, il buffer viene trasferito a un parser e quindi svuotato. Il parser estrae i dati, li elabora calcolando Venv in base ai dati di taratura, formatta opportunamente la riga da persistere in un file di log e notifica a un componente software denominato logger, che provvederà quindi a scrivere un file ASCII locale. Ogni volta che arriva un dato valido (ovvero “ben formattato”), i grafici delle misure sono aggiornati così come le relative scale fornendo all’utente una visione in tempo reale di quanto sta accadendo al sensore. A titolo esemplificativo, si riporta una schermata del software di acquisizione in Figura 12.

Nella versione attuale, il programma consente di acquisire e confrontare le firme dei tag sia in un diagramma modulo/frequenza sia in una “colormap” (schermata di destra in Figura 12) che risulta più utile per i confronti tra i dati di acquisizioni ripetute nel tempo. Il sistema può lavorare eseguendo acquisizioni one-shot (singole - mediante il pulsante “Get Data”), ripetute (10 volte -pulsante “Get Sequence”) o in continua (pulsante “Log”).

Dall'interfaccia utente si possono preferibilmente modificare: il passo della scansione in frequenza (“fstep” - in Hz), il ritardo di acquisizione tra un campione e l’altro (delay - in ms), il numero di riletture del singolo bin (rereads), inoltre è possibile limitare l'intervallo di acquisizione (“set limits”), consentendo di ridurre i tempi di acquisizione.

In sostanza, è stato realizzato un sistema di acquisizione dati di transponder con sensore a bordo basato sulla variazione della frequenza di risonanza. Il sistema è stato calibrato mediante un artefatto (“dummy tag”) utile anche per la caratterizzazione a distanza di sensori IDC. Infine, il sistema è stato adattato fisicamente alle caratteristiche di una camera climatica di test e verificato con un sensore IDC polimerico confrontando la curva ingresso-uscita con quella estratta adoperando strumentazione standard da laboratorio per la caratterizzazione di tag RFID.

Per completezza, verrà descritto a seguire un protocollo di sperimentazione del prototipo del sistema dell'invenzione.

II reader è stato sperimentato realizzando una camera climatica di test in sovrapressione. La camera di test è realizzata utilizzando la superficie superiore del reader, racchiudendo il transponder all'interno di un ambiente in sovrapressione in cui sono addotti ed estratti i flussi di gas contenenti l’analita. Questa condizione è realizzata unicamente a fini di test e validazione del sistema.

In particolare, la camera climatica di test reca come pareti il supporto per i tag del reader, un tappo in plexiglass e un adattatore forato. Il tutto è tenuto insieme da quattro viti e le zone interstiziali sono sigillate. L’adattatore, che si incastra al reader in corrispondenza del supporto degli avvolgimenti mostrato in Figura 7, è raffigurato in Figura 8. Nella Figura 8 sono visibili il vano della camera di test e i fori filettati impiegati per fissare il coperchio della camera stessa.

In questo modo, si opera interfacciando direttamente l'ambiente che contiene il dummy tag con un generatore di aria umida a percentuale di umidità controllata. Il discorso non perde di generalità se in camera di test si introduce un gas portante in cui è disciolto un analita che non sia acqua.

Le Figure 13 e 14 mostrano l’attrezzatura adottata per testare il prototipo del sistema dell’invenzione in condizioni climatiche simulate del sistema di acquisizione interfacciato con dummy tag.

La camera di test 20 è montata sul reader. Il coperchio trasparente 18 è fissato all’adattatore attraverso le viti di fissaggio 26 inserite nei fori 19. All’interno della camera di test 20 è presente un connettore USB 27 e l’atmosfera è condizionata apportando mediante il tubo di immissione 21 in maniera continua gas portante a cui è miscelato l’analita.

La pressione interna alla camera 20 è superiore a quella atmosferica, pertanto l’atmosfera al suo interno può dirsi univocamente determinata dalla composizione del gas immesso. L’analita, in fase vapore, modifica l’impedenza elettrica del sensore capacitivo IDC 22 collegato all’antenna del dummy tag 23 per mezzo di due reofori o connettori elettrici 24. Il gas eccedente è rimosso dalla camera mediante il tubo di scarico 25 che fuoriesce dal coperchio trasparente.

La geometria della camera di test 20 è meglio visibile dalla rappresentazione schematica costruttiva di Figura 15.

Nella Proof of Concepì (POC) eseguita e qui descritta, la camera di test è stata collegata ad un generatore di aria umida al fine di validare il sistema attraverso un sensore di umidità.

In condizioni di test, il generatore di aria umida ha operato nella seguenti condizioni: umidità fornita da bubbolatore, Tgas= 25°C; flusso di gas in camera: 497cc/min; gas portante: azoto.

Come primo esperimento, si sono analizzate le risposte della firma RF dell’inviluppo alle transizioni aria secca / aria umida e aria umida / aria secca acquisite mediante il reader, mostrate rispettivamente nei grafici di Figura 16A e 16B, con riferimento ad un sensore PVA. Tali grafici riportano l’evoluzione in transitorio della porzione di spettro dell’inviluppo del segnale partendo dallo stato di massima umidità del gas portante a quella di regime “secco”.

L’acquisizione è stata realizzata effettuando dapprima una scansione da 1MHz a 30MHz a passi di 5KHz, poi restringendo l’intervallo di analisi ad un conveniente intorno del picco risonante in modo da ridurre i tempi di acquisizione. Il passo di scansione è stato ridotto portandolo quindi a 1KHz per ottenere una maggiore risoluzione in frequenza.

Si può osservare che all’aumento dell’umidità relativa dal 6% (condizione di secco) al 62% (massima umidità possibile in queste condizioni di misura) corrisponde una variazione reversibile della frequenza di risonanza di circa 120KHz, che secondo il modello sviluppato per il dummy-tag in fase di calibrazione equivalgono a uno spostamento di capacità da 7.1pF a 6.9pF.

E’ quindi fondamentale ridurre la capacità intrinseca del transponder al fine di accedere alla zona della risposta frazione volumetrica/frequenza di risonanza con pendenza più elevata.

La risposta del sistema è stata verificata su un secondo sensore a diversi valori di umidità relativa dopo che lo stato stazionario è stato raggiunto alla temperatura prefissata di 30°C.

Dagli spettri dell'inviluppo riportati in Figura 17, si osserva che il sistema TAG+reader esibisce due picchi di risonanza, un picco primario alla frequenza di 16.5MHz ed uno secondario a 25.85MHz.

La frequenza del picco primario diminuisce al crescere della concentrazione di umidità così come atteso.

In particolare, in Figura 17 è mostrato un grafico della risposta del sensore PVA2 al variare del livello di umidità relativa.

Per validare il sistema, come termine di confronto, si è acquisito lo spettro di impedenza del dummy-tag attraverso un VNA Keysight 5061 B accoppiato al dummy tag attraverso un’antenna standard wire-loop, ottenendo le variazioni mostrate nei grafici delle Figure 18A e 18B, essendo Z(jai)=R(ai)+jX(ai).

In particolare, le Figure 18A e 18B mostrano gli spettri di ammettenza del dummy-tag acquisiti mediante il VNA in accoppiamento ad una antenna standard wire-loop.

La Figura 19 mostra un confronto tra la frequenza di risonanza del sistema dummytag+wire-loop+cavi+VNA (·) con il sistema dummytag+reader (■).

Graficando l’andamento della frequenza di risonanza acquisito alle diverse RH% e confrontando i valori ottenuti dal reader con quelli misurati col VNA, si ottengono variazioni concordi per le curve di risposta, come mostrato in Figura 19.

La differenza nel valore assoluto della frequenza del picco di risonanza rilevata tra i due apparati mostra che il reader introduce una componente reattiva nella misura che abbassa la frequenza di risonanza acquisita con questo metodo. Questo è dovuto al fatto che l’antenna di pick-up (PC) ha una maggiore componente induttiva rispetto al wire-loop e al fatto che il demodulatore carica questa antenna con una capacità non trascurabile. Ciononostante, a parità di sensore, il sistema è in grado di apprezzare le variazioni della RH nel medesimo intervallo della strumentazione da laboratorio.

Ancora, si mostra in Figura 20 un diagramma di flusso illustrativo delle diverse fasi di acquisizione ed elaborazione del segnale acquisito nella interazione reader / tag.

La Tabella 2 a seguire riporta una spiegazione dei simboli impiegati in Figura 20 e nella presente trattazione.

Tabella 2.

DAC Digital to Analog Converter - convertitore digitale-analogico.

DDS Direct Digital Synthesizer - sintetizzatore digitale di segnale a sintesi diretta.

Probing Coil Antenna di alimentazione. Fornisce potenza elettrica al transponder mediante un accoppiamento induttivo in campo PC

vicino.

Transponder Tag, trasmettitore-risponditore, il circuito che è oggetto dell’interrogazione da parte del reader.

fdds Frequenza della sinusoide generata dal DDS. Viene impostata dal microcontrollore comunicandola al DDS in formato digitale.

fstart L’intervallo spettrale da analizzare è (fstart, fstop), quindi fstartè l’estremo inferiore.

fstop Vedi fstart.

Sensing Coil Bobina di sensing. Intercetta il campo magnetico e le sue se variazioni nel percorso verso il transponder.

f.e.m. Forza ElettroMotrice indotta.

Venv Ampiezza del segnale elettrico prelevato dalla probing coil.

Segnali di inviluppo (Envelope).

ASK Amplitude Shift Keying, modulazione d’ampiezza.

ADC Analog to Digital Converter, convertitore analogico-digitale.

PC Personal Computer, elaboratore elettronico.

USB Universal Serial Bus.

Il flusso preferito di operazioni di acquisizione operate dal lettore è riportato nella sequenza seguente:

1. impostare la frequenza del DDS al valore fstart(ovvero: fMs<- fstarì)]

2. trasmettere al transponder la sinusoide sintetizzata mediante la bobina di probing (“probing coir);

3. prelevare il segnale associato al campo magnetico concatenato sia all’antenna trasmittente (“probing coil”) sia al transponder da parte di una terza bobina (“sensing coil”) frapposta tra le prime due;

4. demodulare il valore della f.e.m. ai capi della bobina di probing mediante un demodulatore di ampiezza al fine di estrarne il valore dell'inviluppo

(Venv)]

5. digitalizzare la tensione in uscita Venv al demodulatore ASK attraverso un ADC e trasferirla al microcontrollore;

6. inviare la coppia ( fdds, Venv) dal microcontrollore al PC;

7. aumentare al frequenza del DDS del passo fstep(cioè: fdds<- fdds+ fstep)<'>, e

8. se fdds< fstop, ripetere le operazioni descritte partendo dal passo 2, altrimenti terminare le operazioni.

Per quanto riguarda la manifattura di transponder RFID, questo si presta ad una verifica in linea della conformità dei tag prodotti mediante sistema a basso costo / bassa complessità / basso ingombro / portatile. La verifica dei singoli pezzi ha una durata nell’ordine dei secondi e può essere interamente gestita da sistema automatico essendo il lettore basato su MCU programmabile e gestibile a distanza.

I settori di applicazione del dispositivo e del sistema proposti secondo la presente invenzione sono molteplici, quali:

- rilevazione di contaminanti tossici/pericolosi/esplosivi;

- logistica;

- tracciamento stateful delle merci impacchettate;

- anticontraffazione, anticontaminazione, antimanomissione;

- sicurezza alimentare;

- cibi sottovuoto o confezionati con packaging in atmosfera controllata;

- controlli sulla catena del freddo;

- controllo di integrità dei package; e

- monitoraggio di materiali biologici in ambiente condizionato, substrati di coltura, incubatori, altre aree confinate quali aree ad alto rischio biologico, aree “sterili”, e aree con atmosfera condizionata (ossigeno / camere iperbariche, eco.).

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito daN’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di misura (10) per la rilevazione a distanza di un parametro chimico/fisico di un ambiente di lavoro mediante caratterizzazione dello stato elettromagnetico di un transponder (1) localizzato in detto ambiente di lavoro, il quale transponder (1) è configurato in modo tale da presentare un parametro elettrico/magnetico variabile in funzione del parametro chimico/fisico secondo una legge nota rispetto ad una condizione di riferimento, il quale dispositivo di misura (10) comprende: - un’unità di controllo ed elaborazione (6) di dati; - un’unità di generazione (5) di un segnale elettrico connessa a detta unità di controllo ed elaborazione (6); - un’unità di ricezione (7) di un segnale elettrico di ritorno, connessa a detta unità di controllo ed elaborazione (6); - mezzi di accoppiamento elettromagnetico (4) con il transponder (1), a loro volta comprendenti: <■>un’antenna di trasmissione (2), connessa a detta unità di generazione (5) e configurata per la produzione di un campo magnetico corrispondente a detto segnale elettrico in corrispondenza del transponder (1); e <■>un’antenna di ricezione (3), configurata per concatenarsi con un campo magnetico riflesso dal transponder (1) e connessa a detta unità di ricezione (7) in modo tale da fornire a quest’ultima un segnale elettrico di ritorno corrispondente a detto campo magnetico riflesso, il quale segnale elettrico di ritorno è funzione del parametro elettrico/magnetico variabile del transponder (1), in cui detta unità di ricezione (7) è programmata per trasmettere detto segnale elettrico di ritorno a detta unità di controllo e elaborazione (6), ed in cui detta unità di controllo e elaborazione (6) è programmata per elaborare detto segnale elettrico di ritorno e calcolare un valore di detto parametro chimico/fisico dell’ambiente di lavoro.
2. 2. Dispositivo di misura (10) secondo la rivendicazione 1, in cui dette antenne di trasmissione e di ricezione (2, 3) comprendono ciascuna un solenoide.
3. 3. Dispositivo di misura (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta antenna di trasmissione (2) è configurata per la produzione di un campo magnetico idoneo all'alimentazione del transponder (1).
4. 4. Dispositivo di misura (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di generazione (5) è configurata per generare un segnale elettrico sinusoidale.
5. 5. Dispositivo di misura secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di generazione (5) comprende un sintetizzatore digitale di segnale per l'impostazione di una frequenza di detto segnale elettrico.
6. 6. Dispositivo di misura (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di ricezione (7) è programmata per eseguire un condizionamento di detto segnale elettrico di ritorno, preferibilmente comprendendo un demodulatore di ampiezza (8) di detto segnale elettrico di ritorno.
7. 7. Dispositivo di misura (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di ricezione (7) comprende un convertitore A/D (9) di detto segnale elettrico di ritorno.
8. 8. Dispositivo di misura (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo e elaborazione (6) è programmata per l’elaborazione di uno spettro di intensità associato al campo magnetico riflesso dal transponder (1).
9. 9. Dispositivo di misura (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo ed elaborazione (6) comprende mezzi di interfaccia (12) per il comando da parte di un utente, preferibilmente comprendenti un monitor per la visualizzazione di detto spettro di intensità.
10. 10. Dispositivo di misura (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo e elaborazione (6) è programmata per: <■>calcolare la frequenza di risonanza di detto segnale elettrico di ritorno;<■>confrontare detta frequenza di risonanza con una frequenza di risonanza nota caratteristica del transponder (1) in condizioni ambientali note e calcolare una eventuale differenza; e <■>calcolare il valore di detto parametro chimico/fisico nell’ambiente di lavoro in funzione della eventuale differenza.
11. 11. Sistema di misura (100) per la rilevazione a distanza di un parametro chimico/fisico di un ambiente di lavoro, comprendente: - un transponder (1) configurato per essere localizzato nell’ambiente di lavoro, il quale transponder (1) presenta almeno un parametro elettrico/magnetico variabile in funzione di detto parametro chimico/fisico rispetto ad una condizione di riferimento; e - un dispositivo di misura (10) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10.
12. 12. Sistema di misura (100) secondo la rivendicazione 11, in cui detto transponder (1 ) è un transponder passivo.
13. 13. Sistema di misura (100) secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detto transponder (1) comprende un sensore per il rilievo di detto parametro chimico/fisico.
14. 14. Sistema di misura (100) secondo la rivendicazione 13, in cui detto sensore è atto alla misurazione della concentrazione di un gas o della concentrazione di umidità nell’ambiente di lavoro.
15. 15. Sistema di misura (100) secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui detto sensore è di tipo capacitivo, in particolare chimico-capacitivo, e detto almeno un parametro elettrico/magnetico variabile in funzione di detto parametro chimico/fisico rilevato è la capacità di detto sensore.
16. 16. Sistema (100) secondo una delle rivendicazioni da 13 a 15, in cui detto sensore comprende un condensatore a struttura interdigitata.
17. 17. Sistema (100) secondo la rivendicazione 16, in cui detta struttura interdigitata del condensatore comprende un substrato di allumina, due contatti in oro serigrafati e un polimero igroscopico presentante elevata affinità con l’acqua, quest’ultimo preferibilmente poli(vinil alcool).
18. 18. Sistema di misura (100) secondo una delle rivendicazioni da 11 a 17, in cui detta antenna di trasmissione (2), detta antenna di ricezione (3) e detto transponder (1) costituiscono un sistema elettromagnetico ad anello chiuso.
19. 19. Metodo per la misurazione a distanza di un parametro chimico/fisico di un ambiente di lavoro, il quale metodo comprende i passi di: - fornire un transponder (1) presentante almeno un parametro elettrico/magnetico variabile in maniera nota in funzione di detto parametro chimico/fisico; - posizionare detto transponder (1 ) nell’ambiente di lavoro; - trasmettere un campo magnetico a detto transponder (1); - ricevere il campo magnetico riflesso da detto transponder (1 ); - elaborare il segnale elettrico di ritorno associato a detto campo magnetico rifesso; - calcolare il valore di detto parametro elettrico/magnetico variabile associato a detto segnale elettrico di ritorno; - confrontare il valore di detto parametro elettrico/magnetico variabile con un valore noto del parametro elettrico/magnetico variabile caratteristico di detto transponder (1) in condizioni ambientali note rispetto a tale parametro chimico/fisico, e calcolarne una eventuale variazione; e - calcolare il valore di detto parametro chimico/fisico nell’ambiente di lavoro in funzione della eventuale variazione di detto parametro elettrico/magnetico variabile rispetto al valore noto suddetto.
20. 20. Metodo secondo la rivendicazione 19, in cui detto transponder (1) è un transponder passivo, preferibilmente comprendente un sensore per il rilievo di detto parametro chimico/fisico.
21. 21. Metodo secondo la rivendicazione 19 o 20, in cui detto parametro elettrico/magnetico variabile è un’ammettenza, un’impedenza elettrica, o una capacità.