Sensori MEMS high-end per applicazioni industriali, automotive e healthcare

Il portafoglio MEMS high-end di STMicroelectronics comprende varie soluzioni che rappresentano la scelta ideale per applicazioni industriali, healthcare e automotive, tra cui telematica, navigazione, infotainment e sicurezza. La serie di sensori MEMS si compone principalmente di accelerometri ad alto g e giroscopi digitali a 3 assi.  

Introduzione

L'attenzione sulle applicazioni critiche in termini di sicurezza sia nei mercati automotive che in quelli industriali è notevolmente aumentata, portando nuove pressioni agli ingegneri dei sistemi in quanto devono lavorare per risolvere le sfide di sicurezza.  L'industria automobilistica ha implementato nel corso degli anni nuovi sistemi di sicurezza che vanno dai sistemi di base per l'implementazione di airbag ai sistemi ADAS con capacità di prevenzione degli incidenti. Grazie alla combinazione di componenti elettrici e meccanici per produrre un sistema di piccole dimensioni senza precedenti, i sistemi microelettromeccanici (MEMS) sono emersi come un'importante tecnologia di scelta per la progettazione di piccoli dispositivi portatili in una vasta gamma di mercati dell'assistenza sanitaria dinamica.

Considerato dalla maggior parte degli ingegneri come tecnologia all'avanguardia, i sensori MEMS sono stati abbracciati anche dall'industria dell'automotive per migliorare le prestazioni, ridurre i costi e aumentare l'affidabilità dei veicoli. Il sensore di crash per il controllo dell'airbag rappresenta il più grande utilizzo automobilistico dei sensori MEMS inerziali. In questa applicazione, un accelerometro misura continuamente l'accelerazione dell'auto. Quando questo parametro supera una soglia predeterminata, un microcontrollore calcola l'integrale dell'accelerazione per determinare se è avvenuta una grande variazione di velocità. L'introduzione dei MEMS come soluzione digitale ha permesso di risolvere molti problemi di design, riducendo a sua volta i costi di progettazione. STMicroelectronics ha una vasta esperienza nell'integrazione dei sensori e nello sviluppo di applicazioni per aiutare i clienti nel processo di progettazione. I kit di valutazione e i relativi software di gestione/analisi consentono di valutare in tempo reale le prestazioni dei sensori nelle varie applicazioni. ST offre una soluzione di valutazione completa, tra cui un set di adattatori DIL24 MEMS che supportano la prototipazione rapida, una scheda madre eMotion compatibile con tutti gli adattatori e basata su un microcontrollore STM32 e un'interfaccia grafica per l'accesso diretto e in tempo reale alle uscite dei sensori e ai registri di configurazione.

Accelerometro e Giroscopio

L'accelerometro ha l'obiettivo di misurare l'accelerazione in unità di forza g. I vantaggi includono un'alta precisione nelle applicazioni con elevate sorgenti di rumore, nonché la misura di accelerazione fino a 0 Hz. Lo svantaggio più grande di questo sensore è la limitata banda nel range delle alte frequenze. Alcuni accelerometri utilizzano l'effetto piezoelettrico che contengono strutture cristalline microscopiche che vengono sollecitate da forze acceleranti con la relativa generazione di segnali di tensione. Un altro modo è rilevare i cambiamenti nella capacità. I condensatori possono funzionare sia come sensori che attuatori. Hanno una sensibilità eccellente e il meccanismo di trasduzione è intrinsecamente insensibile alla temperatura. Per un dato materiale, il sensing capacitivo si basa sulla variazione della capacità in funzione del cambiamento della geometria di un condensatore. Il sensore a giroscopio, invece, misura la velocità angolare espressa in gradi al secondo (°/ s) o in giri al secondo (RPS). La velocità angolare è semplicemente una misura della velocità di rotazione. Il giroscopio è spesso utilizzato in applicazioni robotiche per misurare il bilanciamento e inviare correzioni a motori o droni per stabilizzare il volo. Nella fase di scelta di un giroscopio è necessario esaminare alcuni parametri quali l'affidabilità, l'intervallo di temperatura consentito e l'assenza di suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche. L'errore causato dalle sorgenti di rumore può compromettere la corretta misura e quindi il design del sistema.

MEMS industriali

I sensori MEMS industriali di ST offrono alte prestazioni e l'alta qualità richiesta per impieghi in applicazioni quali la robotica, il monitoraggio delle condizioni, la guida e la stabilizzazione dei veicoli industriali, l'automazione delle costruzioni e dell'industria, i sistemi di navigazione, e apparati impiegati nel campo della medicina e aerospace& defense. Grazie alla specifica "Golden flow", ogni sensore è regolato in maniera univoca e precisa, con conseguente segnale di uscita molto stabile in tutte le condizioni operative, e nella maggior parte dei casi l'eliminazione della ricalibrazione. Inoltre, come risultato di un test robusto e altamente selettivo, l'offerta di sensori per applicazioni industriali garantisce elevate prestazioni, precisione, affidabilità e sicurezza e migliora a sua volta il costo totale di proprietà dell'applicazione finale.

Consigliato per applicazioni industriali che richiedono una vasta gamma di temperature operative e una lunga durata, IIS328DQ dispone di range full-scale selezionabili di ± 2g / ± 4g / ± 8g ed è in grado di misurare accelerazioni con velocità di trasmissione da 0,5 Hz a 1 kHz. Disponibile in un piccolo package senza piombo (QFPN) con dimensione pari a 4x4 mm, IIS328DQ è garantito per un intervallo di temperatura da -40 a +105 ° C (figura 1).

Figura 1: schema a blocchi del sensore IIS328DQ

I3G4250D è un sensore di velocità angolare a 3 assi a bassa potenza, con una interfaccia circuitale IC in grado di fornire la velocità angolare misurata tramite un bus SPI standard. È inoltre disponibile un'interfaccia compatibile con I2C. I3G4250D è dotato di range full-scale (± 245 / ± 500 / ± 2000 dps) selezionabili dall'utente ed è in grado di misurare rate di valori con una larghezza di banda selezionabile dall'utente. È disponibile in un package di plastica, e può funzionare entro un intervallo di temperatura da -40 °C a +85 °C (figura 2).

Figura 2: schema a blocchi del sensore I3G4250D

MEMS automotive

ST offre un portafoglio di sensori MEMS automotive qualificati secondo lo standard AEC-Q100. Gli accelerometri a 3 assi a basso g hanno funzioni avanzate di risparmio energetico e un'ampia gamma di temperature operative che li rendono la scelta ideale per applicazioni automobilistiche non critiche. I sensori di accelerazione ad alto g sono adatti per diverse applicazioni come per esempio i sistemi airbag nei veicoli.  I giroscopi a 3 assi offrono una elevata stabilità nel tempo e in accordo alla temperatura operativa, e garantiscono un livello di precisione richiesto dai sistemi di navigazione più avanzati. I giroscopi a 3 assi hanno una singola struttura di rilevamento per la misura del movimento lungo tutti e tre gli assi ortogonali, mentre altre soluzioni sul mercato si basano su due o tre strutture indipendenti. La soluzione di ST elimina tutte le interferenze tra gli assi che inevitabilmente degradano il segnale di uscita. Il risultato è una maggiore precisione e affidabilità delle funzionalità per un corretto design finale. Gli accelerometri a 3 assi (AIS328DQ, AIS3624DQ, AIS1120SX / AIS2120SX, AIS1200PS) offrono alta risoluzione di misura e bassi livelli di rumore, con diverse modalità di lavoro per risparmiare energia e funzioni intelligenti per le opzioni di wake-up. I sensori di accelerazione ad alto g hanno un ampio range di rilevamento dell'ampiezza del segnale, una gamma estesa di temperature operative e sono adatti per una precisa distribuzione dell'airbag nei sistemi di sicurezza del veicolo. Il giroscopio A3G4250D a 3 assi offre un'elevata stabilità nel tempo e in funzione della temperatura, e garantisce un livello di precisione richiesto dai sistemi di navigazione più avanzati.

STMicroelectronics ha introdotto nel portafoglio anche due sensori per airbag central unit (ACU), creando un kit completo che supporta i requisiti di sicurezza funzionali. Gli accelerometri MEMS in-plane AIS1120SX e AIS2120SX da 120g single o dual axis sono progettati per essere montati nell'Unità di Controllo Airbag (ACU) del veicolo che è responsabile della valutazione dei dati del sensore e dell'avvio del sistema. Una scelta di tre sistemi IC, i modelli L9678P, L9679P e L9680 soddisfano le esigenze delle applicazioni airbag coordinate da un microcontrollore, che vanno dai veicoli di fascia bassa fino ai veicoli di fascia più alta con più requisiti funzionali di sicurezza (figura 3).

Figura 3: schema a blocchi del sensore A3G4250D

MEMS healthcare

I consumatori di tutto il mondo stanno richiedendo un mezzo più efficace per la diagnosi di malattie che garantisca la precisione in tempi ridotti. Contrariamente all'elevata richiesta di progressi tecnologici, i principali produttori di MEMS nel mercato globale delle applicazioni mediche si concentrano sulla produzione di un'unica piattaforma embedded con la possibilità di eseguire in modo efficiente più esami diagnostici. Tali fattori hanno contribuito notevolmente alla crescita dei MEMS nel mercato delle applicazioni mediche negli ultimi anni.  Secondo una società di analisi Transparency Market Research, il mercato globale dei MEMS nelle applicazioni mediche potrebbe registrare un enorme tasso di crescita composto del 20,2% nei prossimi due anni. Entro la fine del 2019, il mercato dovrebbe raggiungere un valore di 6,5 miliardi di dollari. La tecnologia MEMS può essere utilizzata in applicazioni biomediche come strumenti chirurgici, consegna di farmaci e biosensori, nonché in applicazioni diagnostiche e in vitro. Con un record di applicazioni, l'approccio microinterconnessione MEMS offre uno strumento potente e vitale per gli ingegneri di design che affrontano la domanda di micro-prodotti sempre più piccoli per soddisfare le esigenze sanitarie.

I sensori vengono utilizzati in apparecchiature mediche basate su elettronica per convertire varie forme di stimoli in segnali elettrici per l'analisi dati. I sensori possono aumentare l'intelligenza dell'apparecchiatura medica, come gli impianti di supporto vitale e consentire il controllo a distanza e il monitoraggio remoto di segnali vitali e di altri fattori sanitari. Una popolazione che sta invecchiando e in continua espansione richiede lo sviluppo di nuovi e diversi tipi di apparecchiature mediche, compresi i vari sensori utilizzati all'interno di una strumentazione e nei corpi dei pazienti. Le organizzazioni sanitarie vogliono risultati diagnostici affidabili, accurati e in tempo reale forniti da dispositivi che possono essere monitorati da qualche parte del mondo come supporto semplice ed immediato sia per il paziente sia per il medico curante.

I sensori di pressione sono utilizzati nelle macchine di distribuzione di anestesia, concentratori di ossigeno, ventilatori, macchine per la dialisi renale, infusioni e pompe di insulina, analizzatori di sangue, monitoraggio delle vie respiratorie e apparecchiature di controllo della pressione sanguigna, sistemi di gestione dei fluidi chirurgici e strumenti dentali.  I sensori di temperatura, invece, sono utilizzati nelle macchine per la dialisi renale, analizzatori di sangue, incubatrici, apparecchiature di monitoraggio e controllo della temperatura del calore dell'ossigeno umidificato, unità di terapia intensiva neonatale per monitorare la temperatura del paziente e per il monitoraggio e controllo della temperatura del sistema. Le applicazioni del sensore di imaging includono radiografia, fluoroscopia, mammografia, imaging dentale, endoscopia, chirurgia minimamente invasiva e chirurgia oculare.

Gli accelerometri sono utilizzati nei pacemaker e nei defibrillatori del cuore, negli apparecchi di monitoraggio del paziente, nei monitor di pressione sanguigna e in altre apparecchiature di monitoraggio sanitario.  I biosensori trovano applicazione nel test di glucosio e colesterolo nel sangue, nonché nella sperimentazione di abuso di droghe, malattie infettive e in gravidanza per l'analisi generale.  I sistemi MEG (Magnetoencephalography) e MCG (magnetocardiography) utilizzano dispositivi di interferenza quantistica a superconduttore o SQUID. Questi magnetometri altamente sensibili misurano campi magnetici estremamente deboli e vengono usati per analizzare l'attività neurale all'interno del cervello (Figura 4).

Figura 4: schema a blocchi di un'applicazione healthcare

MIS2DH è un accelerometro lineare a tre assi ad alte prestazioni a bassa potenza con uscita digitale standard I2C / SPI.  MIS2DH è in grado di misurare accelerazioni con velocità di trasmissione da 1 Hz a 5,3 kHz, concepito per applicazioni mediche e sanitarie.  Il dispositivo può essere configurato per generare segnali di interrupt con due eventi indipendenti di wake-up/free-fall, nonché in funzione della posizione del dispositivo stesso.  La capacità di autocontrollo consente all'utente di controllare la funzionalità del sensore nell'applicazione finale.  MIS2DH è disponibile in un piccolo package LGA ed è garantito per un intervallo di temperatura da -40 °C a +85 °C (figura 5).

Figura 5: schema a blocchi del sensore MIS2DH

Conclusioni

La tendenza per una maggiore integrazione offre vantaggi in vari campi applicativi come quello automotive ed industriale dove fattori come i costi, consumi energetici e affidabilità rappresentano gli elementi essenziali per un buon design.  Il portafoglio di prodotti MEMS della STMicroelectronics copre una vasta gamma di applicazioni che vanno dalle soluzioni audio passando per quelle automotive, industriali e healtcare. L'automotive vedrà un successo esponenziale forte della richiesta di tecnologia sempre più efficiente all'interno di un veicolo, guidata a sua volta dai prossimi sviluppi dei sistemi ADAS che dovrebbero ridurre significativamente gli incidenti automobilistici. Questi sistemi forniscono agli automobilisti diverse funzionalità di sicurezza avanzate, quali il rilevamento del punto cieco, l'avviso di collisione e il controllo della pressione degli pneumatici.  Ridurre al minimo le grandi fonti di errore è essenziale per la progettazione di sistemi di sicurezza automotive più affidabili e precisi, come il controllo elettronico robusto di stabilità (ESC) e il rilevamento del rollover che coinvolgono nel design due o più accelerometri e giroscopi con resistenza agli urti.

 

Una risposta

  1. Stefano Lovati Stefano Lovati 19 settembre 2017

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