Sensori intelligenti MEMS nelle applicazioni industriali

La tecnologia MEMS ha consentito lo sviluppo di sistemi altamente integrati che monitorano le prestazioni dei processi e attivano feedback essenziali per i sistemi di controllo automatizzati negli impianti di produzione, garantiscono inoltre la sicurezza misurando con precisione i parametri di sistemi potenzialmente pericolosi che, se fuori controllo, potrebbero creare rischi notevoli. I sensori intelligenti MEMS miniaturizzati all'avanguardia hanno il potere di trasformare le industrie misurando costantemente le numerose entità fisiche distribuite negli impianti con notevole precisione. In questo articolo, approfondiremo il mondo dei sensori MEMS focalizzandoci sui principi di funzionamento, sulle applicazioni e sul loro ruolo vitale nel miglioramento della produttività e della riduzione dei costi nel settore industriale.

Introduzione

Nel mondo odierno i sensori possono essere ovunque, dai motori e dalle apparecchiature industriali ai cellulari e agli elettrodomestici. L'elettronica attuale e del futuro prossimo richiede componenti e moduli sempre più piccoli ed efficienti, nonché energia sufficiente per funzionare più a lungo possibile. Sviluppando sistemi microelettromeccanici (MEMS), circuiti integrati e sensori più sofisticati e che consumano meno energia, possiamo integrare nuove funzionalità nelle apparecchiature elettroniche.

Un'area critica di sviluppo è il monitoraggio delle condizioni di beni di valore nella produzione industriale, nella distribuzione di energia e in altre aree. Ad esempio, rilevando i segnali di emissione acustica di un macchinario, possiamo rilevarne i primi segni di usura e programmare tempestivamente la manutenzione prima che si verifichino guasti catastrofici. Per questo tipo di monitoraggio acustico sono stati sviluppati sensori MEMS intelligenti che sono in grado di distinguere segnali acustici di varie frequenze interpretandone il normale funzionamento o il degrado di un’apparecchiatura; questi speciali microfoni MEMS possono essere utilizzati in vari ambienti applicativi. In Figura 1 è riportato un microfono MEMS.

Figura 1: Microfono MEMS

I sensori intelligenti e i MEMS possono includere una varietà di dispositivi e sistemi con un elevato livello di funzionalità, integrando più modalità di rilevamento e attuazione in un unico dispositivo, oppure integrando il rilevamento e l'attuazione con l'elaborazione delle informazioni, la conversione analogica-digitale e le funzioni di archiviazione. Le applicazioni industriali dei sensori intelligenti MEMS includono i circuiti di interfaccia dei sensori, sensori capacitivi, sensori induttivi per ambienti industriali critici, rilevatori avanzati di radiazioni dello spettro ultravioletto e sensori ottici come i codificatori e gli interferometri.

Le applicazioni industriali dei MEMS intelligenti includono tecnologie di micro fabbricazione utilizzate per creare dispositivi intelligenti, micro attuatori, comportamento dinamico dei MEMS intelligenti, MEMS che integrano sensori di movimento e spostamento, testine di stampa MEMS per la stampa industriale, fotovoltaico e celle a combustibile in MEMS di potenza per la gestione intelligente dell'energia e MEMS a radiofrequenza (RF) per microsistemi di comunicazione intelligenti. I sensori intelligenti MEMS rappresentano un riferimento prezioso per universitari, scienziati dei materiali e ingegneri elettronici che lavorano nel settore della microelettronica, dei sensori e della micromeccanica, nonché per gli ingegneri che cercano soluzioni di rilevamento, monitoraggio e automazione industriale.

I sensori MEMS sono costituiti da componenti sia elettronici che meccanici. I componenti microelettronici gestiscono il rilevamento e l'elaborazione dei dati, mentre le parti meccaniche forniscono un feedback fisico. Questa combinazione di capacità rende i sensori MEMS piccoli, affidabili ed economici. Ad esempio, i sensori MEMS di pressione sono diventati strumenti industriali indispensabili in quanto effettuano misurazioni nei sistemi monitorando i cambiamenti delle condizioni operative di serbatoi, tubazioni e di altri sistemi chiusi.

La Tecnologia MEMS

I MEMS sono realizzati allo stesso modo di un microprocessore o chip di memoria costruito su un wafer di silicio. L'industria dei MEMS ha praticamente copiato e sfruttato queste tecniche. Si chiamano tecniche sottrattive. Ad esempio, per realizzare un resistore si mette uno strato di materiale resistivo, diciamo del metallo, che copre l'intero wafer. La luce del sistema di fotoincisione viene utilizzata con una maschera fotolitografica che ha dimensioni di livello micron o sub-micron. La luce espone la maschera, quindi ciò che rimane protegge la pellicola e il disegno desiderato sullo strato di wafer. Si utilizza una chimica di incisione a secco o ad umido per rimuovere il materiale che non si desidera e il circuito integrato viene quindi costruito strato per strato. Il dispositivo MEMS è costruito allo stesso modo, ma la grande differenza è nel passaggio finale in cui uno degli strati sottostanti viene rimosso. Ciò viene chiamato “processo di rilascio”. Questa è la chiave della costruzione dei MEMS, ovvero si rimuove uno strato sottostante, lasciando lo spazio ad una struttura sospesa che può muoversi sul piano, fuori dal piano o ruotare. Tutto dipende dal tipo di movimento meccanico di cui si ha bisogno, ovvero dal tipo di sensore. Esiste un’intera varietà di sensori e attuatori che utilizzano tutti i tipi di movimento meccanico.

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