L’innovazione tecnologica dei sensori MEMS

La proliferazione dei sensori sta avendo una grande influenza in tutti gli aspetti della nostra vita quotidiana. Stiamo assistendo a una varietà di modi per poter interagire con il mondo, rappresentando, di fatto, il core delle applicazioni connesse nell’ambito dell’IoT. STMicroelectronics è al centro dell'evoluzione dell'industria dei sensori MEMS che guida l'innovazione continua per applicazioni che impiegano diversi microattuatori.   

Introduzione

Nella forma più generale, un MEMS consiste di microstrutture meccaniche e circuiteria microelettronica, il tutto integrato all'interno dello stesso chip di silicio (figura 1). I microsensori rilevano i cambiamenti nell'ambiente circostante misurando informazioni o fenomeni meccanici, termici, magnetici, chimici o elettromagnetici. La circuiteria microelettronica provvede a trasformare queste informazioni in segnali digitali/analogici e invia dei comandi ai microattivatori per indirizzarli in qualche forma di azionamento rispetto agli eventi di interesse.

Figura 1: schema generale di un sensore MEMS con la sua elettronica

I sensori MEMS hanno diversi vantaggi distinti in base alla tecnologia di produzione. In primo luogo, la natura interdisciplinare delle sue tecniche di micro-fabbricazione, nonché la sua diversità di applicazione che ha portato ad una gamma senza precedenti di dispositivi e sinergie in settori precedentemente non correlati (ad esempio biologia e microelettronica). In secondo luogo, i MEMS consentono di produrre componenti e dispositivi con maggiori prestazioni e affidabilità, combinati con i vantaggi evidenti in termini di dimensione fisica, volume, peso e costo. In terzo luogo, i MEMS forniscono la base per la fabbricazione di prodotti che non possono essere fatti con altri metodi. Questi fattori li rendono potenzialmente una tecnologia molto più diffusa rispetto ai circuiti integrati (microchip).

Considerazioni di design

I sensori che costituiscono il più grande mercato dei MEMS sono gli  accelerometri e i giroscopi. Gli accelerometri MEMS sono sensori capaci di rilevare l'accelerazione lineare, mentre un giroscopio è in grado di misurare la velocità angolare intorno ad uno o più assi. Un moderno dispositivo intelligente dispone di una combinazione di accelerometri e giroscopi che rende possibile tracciare e catturare i movimenti in uno spazio tridimensionale. Questo consente agli sviluppatori di sistemi di fornire una migliore esperienza utente e accurati sistemi di navigazione, con un deciso numero di sensori utilizzati nelle applicazioni che continua ad aumentare. Secondo una stima della Yole Developpment, la previsione del mercato per i chip MEMS sarà superiore a 22 miliardi di dollari entro il 2018.

Ci sono molte sfide da tener conto nella progettazione di sensori intelligenti, in particolare il fattore di forma che deve essere il più piccolo possibile, la bassa dissipazione di potenza, le elevate prestazioni in diversi campi applicativi e la robustezza della struttura complessiva. La risorsa più difficile da incontrare è il basso consumo energetico. Il sistema include al suo interno un microcontrollore che elabora, memorizza (Cloud/Flash) ed invia (con collegamento wireless/wired) i dati del sensore. Per risparmiare energia, il collegamento wireless è normalmente abilitato solo se è necessario inviare pacchetti di dati ad intervalli di tempo regolari (figura 2).

Figura 2: esempio di struttura generale di un sistema elettronico con sensoristica

Quindi, le sfide chiave da considerare nell'ambito della progettazione di un sistema Smart Sensor MEMS possono essere descritte nei seguenti punti:

  • Basso consumo energetico: occorre utilizzare metodi di raccolta dell'energia per rendere i sensori autosufficienti.
  • Manutenzione: un errore in un nodo non dovrebbe influenzare il funzionamento di altri sensori sulla rete. Il debug e il fixing dei guasti devono essere resi facili grazie al supporto degli altri nodi in rete. Il sistema di controllo dovrebbe assumere il compito al fine di evitare di perdere dati preziosi.
  • Robustezza: poiché questi nodi sensori possono essere distribuiti in condizioni ambientali molto difficili, devono essere in grado di operare accuratamente e senza problemi per lunghi periodi di tempo.
  • Fattore di forma: la dimensione del sensore è determinata in linea di principio dalla fonte energetica utilizzata e dalla struttura meccanica. Una delle sfide nel design dell'interfaccia sensore MEMS è la possibilità di ottenere variazioni di capacità di piccole dimensioni inferiori a pochi attofarad (1 attoF = 10-18 F). Gli elementi sensibili richiedono in genere una tensione di bias per esempio di 5V, e producono in uscita segnali di pochi microvolti (μV). L'accuratezza e la stabilità delle uscite del dispositivo sono altrettanto sensibili alle variazioni della tensione di alimentazione e della temperatura.

Un'altra grande preoccupazione per il design dell'interfaccia sensore MEMS è il rumore. A causa della bassa larghezza di banda, le prestazioni del sistema sono limitate da offset DC e rumore 1/f. Quindi, ogni rumore a bassa frequenza al di sopra del livello del rumore termico deve essere eliminato.

Le strutture Smart

Alcune delle applicazioni più popolari per Smart Sensors includono città intelligenti, case intelligenti, applicazioni automotive e dispositivi portatili per il monitoraggio della salute umana. Nei prossimi anni, miliardi di sensori e attuatori wireless collegati creeranno un mondo più sicuro e intelligente. Inoltre, i sensori wireless auto-alimentati che utilizzano l'energia raccolta eviteranno sprechi ambientali relativamente alle sostituzioni delle batterie. Le tecnologie Smart City integrano e analizzano enormi quantità di dati per anticipare, mitigare e persino prevenire molti problemi. Questi dati vengono utilizzati, ad esempio, per ridisegnare intelligentemente il traffico e ridurre gli incidenti stradali, individuare i punti caldi della criminalità e mirare le risorse per la riduzione dei crimini e collegare i cittadini al lavoro o all'esterno della città. Le Smart Cities forniscono notifiche e informazioni a cittadini per trovare un posto di parcheggio o un nuovo negozio locale o addirittura monitorare l'inquinamento atmosferico. Le case intelligenti diventeranno un modo di vita standard incorporando sistemi avanzati di automazione per fornire agli occupanti un controllo intelligente e un check sulle funzioni dell'edificio.

Nell'ambito delle applicazioni automotive, i sensori accelerometrici sono stati i primi dispositivi MEMS commerciali impiegati nei vari sistemi di sicurezza misurando effetti di accelerazione e decelerazione. I sensori per airbag sono stati uno dei primi dispositivi commerciali ad utilizzare la tecnologia MEMS. Oggi sono diffusi sotto forma di un singolo chip contenente un accelerometro che misura la rapida decelerazione di un veicolo attraverso un rilevamento di tensione differenziale. Un'unità di controllo invia successivamente un segnale per attivare e far esplodere correttamente l'airbag. I MEMS hanno consentito di realizzare questa funzione integrando un accelerometro e l'elettronica in un singolo chip di silicio, con un piccolo package di basso costo che può essere alloggiato all'interno della colonna del volante. L'accelerometro è essenzialmente un dispositivo capacitivo o piezoresistivo costituito da un gruppo di massa di prova a pendolo sospeso. Mentre l'accelerazione agisce sulla massa di prova, le micropiastre capacitive o piezoresistive misurano un cambiamento di accelerazione dalla deflessione delle piastre.

Nel settore automotive, i sensori sono specificamente progettati per rispettare le più severe condizioni ambientali. Il portafoglio della ST Microelectronics comprende gli accelerometri digitali e giroscopi a 3 assi e ad alto g, e sistemi a 6 assi con entrambi i sensori alloggiati all'interno dello stesso chip. Il sistema iNEMO a 6 assi integra un accelerometro e un giroscopio in un unico dispositivo. I giroscopi e gli accelerometri a più assi vengono utilizzati per la navigazione assistita e consentono lo sviluppo di algoritmi software sofisticati che calcolano la posizione corrente da una precedentemente determinata e aggiornata in funzione di parametri quali velocità e cambio di direzione. LSM6DSM rappresenta l'ultima generazione di moduli inerziali MEMS a 6 assi (Accelerometro e Giroscopio) ad alte prestazioni con design ultra-low-power che rafforzano il ruolo emergente dello smartphone. LSM6DSM consente di migliorare le esperienze utente per fotocamere digitali, portatili e telecomandi, giochi, drone e realtà virtuale (figura 3).

Figura 3: struttura del sensore MEMS LSM6DSM

LIS2DW12 è un accelerometro MEMS a 3 assi ad alte prestazioni con un design a basso consumo e un fattore di forma estremamente piccolo. E' dotato di una conversione a 16 bit e può essere regolato per assegnare priorità ad un basso consumo inferiore a 1 μA o ad una bassa rumorosità fino a 90 μg / √Hz. Grazie all'estrema precisione di misura, LIS2DW12 è particolarmente adatto per applicazioni di prossima generazione di assistenza sanitaria, giochi e sensori industriali, aumotive e monitoraggio ambientale.

Una delle aree più interessanti per i sensori intelligenti è quello di monitorare la salute del corpo umano. Le applicazioni di monitoraggio della salute possono essere indossabili o impiantate. I dispositivi medici impiantabili sono quelli inseriti all'interno del corpo umano. Quelli portatili, invece, vengono utilizzati sulla superficie di un corpo umano o in prossimità dell'utilizzatore.

L'accelerometro a 3 assi LIS2DS12, il modulo inerziale LSM6DSL / M a 6 assi e il nuovo LSM303AH eCompass aiutano a monitorare continuamente il movimento con un impatto minimo sulla durata della batteria del dispositivo eseguendo in modo efficiente i calcoli relativi al movimento. Gli algoritmi pre-incorporati che includono il pedometro ad alta precisione, il rilevamento dei passi e tanti altri accelerano il time-to-market per le nuove applicazioni di fitness, monitoring clinici, navigazione personale.

Gli smartphone, gli smartwatch, i tracker di fitness e altri dispositivi portatili sono in grado di migliorare la guida degli utenti e mappare i loro risultati sportivi anche quando la navigazione satellitare non può funzionare. Le applicazioni per il monitoraggio della forma fisica necessitano di dati continui di localizzazione per la mappatura e la registrazione dati, e l'accuratezza è fondamentale per chi lo indossa che ama monitorare i propri progressi e condividere i risultati online. La bussola elettronica (eCompass) di STMicroelectronics aiuta a calcolare la posizione quando i segnali satellitari non sono disponibili, ad esempio all'interno degli edifici. Tuttavia, le soluzioni attuali possono dare errori di circa 10° in latitudini come l'Italia settentrionale o la California settentrionale. Questo può condurre l'utente in errori di posizione da 150 metri o più in ogni 1000 metri percorsi. LSM303AH eCompass di ST taglia l'errore a meno di 4° sfruttando la tecnologia proprietaria per la produzione di sensori magnetici ad alta precisione. Questa precisione, combinata con un funzionamento a ultrasuoni che consuma fino al 50% in meno rispetto ai dispositivi concorrenti in modalità low power, è particolarmente adatto per high-precision Pedestrian Dead Reckoning (PDR) sui dispositivi Mobile (figura 4). LSM303AH include un'interfaccia seriale I2C e una SPI. Il sistema può essere configurato per generare un segnale di interrupt per la caduta libera, la rilevazione del movimento e il rilevamento del campo magnetico. LSM303AH è disponibile in un packgae LGA ed è garantito per un'intervallo di temperatura che va da -40 °C fino a +85 °C.

Figura 4: schema a blocchi del sensore eCompass LSM303AH

 

Nel mercato delle applicazioni mediche, i componenti MEMS vengono utilizzati soprattutto in dispositivi diagnostici e chirurgici. Questi dispositivi utilizzano sensori di pressione, sensori di temperatura, sensori di flusso, accelerometri, sensori ottici di immagine e microfoni di silicio. I sensori di pressione, insieme con l'accelerometro, rappresentano la più grande applicazione MEMS nel campo della medicina. Anche se la maggioranza di queste applicazioni rimangono in fase di sviluppo, i design avanzati del pacemaker includono un dispositivo accelerometro MEMS che misura l'attività del paziente. La tecnologia, simile a quella trovata nel sensore airbag, consente di monitorare il movimento e l'attività del paziente e segnala al pacemaker di regolare adeguatamente la frequenza.

LPS22HB è un piccolo sensore di pressione di silicio che fornisce misure ad alta risoluzione in un package ultra-compatto ideale per l'utilizzo in smartphone, tablet PC e GPS portatili. I sensori di pressione della ST sono supportati da un Kit di valutazione che consiste in una scheda madre e un modulo plug-in che include il sensore LPS22HB. Dopo aver collegato l'adattatore, la scheda può essere collegata a un PC host via USB in modo che le funzionalità del dispositivo possano essere facilmente valutate tramite un'interfaccia grafica intuitiva (figura 5 e 6).

Figura 5: schema a blocchi dell'architettura logica del sensore LPS22HB

 

Figura 6: kit di sviluppo per LPS22HB

 

Conclusioni

L'Internet delle cose è già presente, e richiederà sempre più sensori MEMS. Gli Oggetti intelligenti si basano su una rete sempre più fitta di sensori che misureranno, più o meno sistematicamente e con precisione, un numero crescente di parametri in un determinato ambiente. Nei prossimi anni, miliardi di sensori e attuatori wireless collegati al cloud creeranno un mondo più sicuro e intelligente. La previsione del mercato per i chip MEMS supererà i 22 miliardi di dollari entro il 2018. Ci sono molte sfide nella progettazione di un sensore, tra cui il basso consumo energetico, la dimensione, l'affidabilità e la manutenzione. Il consumo di energia è il vincolo più importante in un prodotto poiché determina il tempo di vita del nodo sensore azionato dalla batteria. STMicroelectronics ha fornito un ponte tra il mercato consumer MEMS già in espansione e il mercato in rapida crescita per i sensori nel settore sanitario e benessere. I dispositivi MEMS possono essere utilizzati nelle stampanti a getto d'inchiostro al fine di produrre una stampa nitida. I giroscopi e gli accelerometri MEMS, inoltre, possono essere utilizzati in droni o elicotteri per controllare in remoto le funzioni di volo, come il rotolamento, il pitching e lo scorrimento.

 

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3 Commenti

  1. Stefano Lovati Stefano Lovati 5 settembre 2017
  2. Luca Giuliodori Luca Giuliodori 6 settembre 2017
  3. Andrea Garrapa Andrea Garrapa 7 settembre 2017

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