Negli ultimi anni il volume di produzione dei sensori MEMS è cresciuto esponenzialmente in vari segmenti di mercato. Tra le maggiori applicazioni dei sistemi micro elettromeccanici, il settore automotive, healthcare, energy, industry, telecomunicazioni, infotainment, sicurezza, aerospace e defense. I MEMS garantiscono la possibilità di progettare piccoli sistemi portatili grazie alle dimensioni notevolmente contenute.
INTRODUZIONE
Il portafoglio dei sensori industriali comprende sensori per la misurazione di forza, temperatura, umidità, pressione, posizione, vibrazione, torsione, proprietà dei fluidi, livello e flusso. L'aumento della domanda proveniente dal mercato automobilistico ha contribuito in modo determinante alla crescita dei sensori MEMS, soprattutto al fine di garantire una maggiore sicurezza, la cui richiesta è in costante crescita. La combinazione di componenti elettrici e meccanici è alla base del miglioramento di prestazioni e affidabilità e della riduzione dei costi nelle applicazioni automotive. Oltre 100 tipi di sensori sono utilizzati nella produzione di veicoli di fascia alta, inclusi giroscopi, inclinometri, sensori di pressione, accelerometri e sensori di flusso. Inoltre sono state previste nuove possibilità come i micro-scanner per la visualizzazione, l'installazione di sensori a infrarossi (IR) per il controllo della qualità dell'aria, oscillatori per i sistemi di monitoraggio della pressione dei pneumatici (TPMS) e sensori di crash per il controllo dell'airbag. Essendo più affidabili e convenienti rispetto alle tecnologie precedenti, i sensori di pressione MEMS hanno migliorato in modo significativo le applicazioni automobilistiche come sensori di pressione assoluta collettore (MAP) / pressione barometrica (BAP), pressione di vapore combustibile, sensori di occupazione a corrente alternata ad alta tensione (HVAC), rilevamento della pressione dei pneumatici. Si prevede per il mercato dei MEMS nel settore automotive una crescita a un CAGR del 6,0% nel periodo 2015 - 2020. Ma le applicazioni dei MEMS non si limitano solo al settore automotive, basti pensare ad esempio ai sistemi 3D wireless indossabili basati su tecnologia MEMS e alle applicazioni dei sistemi micro elettromeccanici nell’industria e nella difesa. I MEMS per attuatori RF trovano applicazioni negli smartphone, nei dispositivi wearable e nell'Internet of Things (IoT). Questi componenti sono caratterizzati da riduzione della potenza e packaging compatto.
Figura 1: Applicazioni dei sensori MEMS in un’automobile
UNO SGUARDO AL MERCATO
Si stima che il mercato dei MEMS raggiungerà circa 20 miliardi di dollari nel 2021. I sensori combinati MEMS uniscono molteplici capacità di rilevamento in un singolo dispositivo e negli ultimi anni hanno ottenuto un notevole incremento. Si tratta di sensori che combinano due o più sensori, come giroscopi, accelerometri, magnetometri e sensori di pressione. Il mercato dei sensori combinati è guidato dalla sua maggiore adozione negli smartphone e tablet di fascia alta negli ultimi anni. Il mercato dei MEMS è in crescita esponenziale nell'elettronica indossabile, nei servizi di localizzazione, nei PC e laptop, fotocamere, lettori MP3 e lettori multimediali. Si prevede che la regione Asia-Pacifico sarà una zona importante che porterà la crescita dei sensori MEMS nei prossimi anni a causa del rapido aumento delle vendite di smartphone. Il Nord America e l'Europa hanno mercati significativi per i MEMS e si prevede che vedano una crescita continua. Altre regioni, tra cui l'America Latina e il Medio Oriente, sono anche mercati potenziali per i sensori combinati, in quanto queste regioni stanno sperimentando anche una rapida espansione delle vendite di smartphone e tablet. Si registra una crescita del mercato dei MEMS anche nelle applicazioni sanitarie in seguito alla crescente domanda di dispositivi medici portatili. I sistemi MEMS integrano componenti meccanici ed elettrici che hanno la capacità di rilevare, controllare e attivare. Uno dei fattori principali a supporto della crescita del mercato dei MEMS è la dimensione ridotta di questi sistemi, infatti i componenti elettrici e meccanici alla base dei Micro Electro-Mechanical Systems possono essere integrati su singoli chip. Inoltre, i micro sensori possono essere fabbricati in serie a costi di produzione inferiori e possono offrire una maggiore affidabilità. Il mercato dei sensori MEMS può essere segmentato sulla base del tipo, del settore, degli usi finali e della geografia. Geograficamente, il mercato dei MEMS può essere segmentato in Nord America, Europa, Asia Pacifico, Medio Oriente, Africa e Sud America. I paesi in regioni sviluppate come il Nord America e l'Europa si stanno concentrando sull'incremento dell'integrazione di sistemi micro elettromeccanici in applicazioni critiche come l'assistenza sanitaria, l'aerospace e defence. Si prevede che il mercato dei sensori MEMS vedrà una crescita importante in queste regioni anche grazie ai crescenti investimenti nelle attività di ricerca e sviluppo per i progressi tecnologici. Si stima inoltre che il mercato dei MEMS mostrerà una forte crescita durante il periodo di previsione 2017-2025. Alcuni dei principali attori coinvolti nel mercato dei sensori Micro-Electromechanical Systems includono Analog Devices, Infineon Technologies, Bosch, STMicroelectronics e Texas Instruments.
Figura 2. Mercato dei MEMS per segmenti di applicazioni
CONCLUSIONI
Il mercato dei sensori basati sulla tecnologia MEMS sta attraversando una fase di continua crescita. Le previsioni sono altrettanto promettenti, infatti è prevista un’impennata del mercato globale dei MEMS per i prossimi anni. La ricerca e lo sviluppo tecnologico giocheranno un ruolo decisivo ai fini delle applicazioni dei sistemi micro elettromeccanici su larga scala grazie all’integrazione di meccanica e microelettronica. Il mercato dei sensori, in particolare dei sensori MEMS, rimane un settore molto attraente, sia nell'ottica dei produttori che in quella dei consumatori. Tutto ciò è reso possibile dalla continua ricerca di nuove funzionalità che permettono di orientare i miglioramenti in termini di efficienza, sicurezza e praticità d’impiego.
Tra le tante applicazioni dei MEMS, il settore automotive è quello che risente maggiormente di questa tecnologia. E’ un settore in forte crescita e con richieste prestazionali sempre più stringenti, come funzionalità ma anche sicurezza.
I MEMS, acronimo di micro-electrical mechanical systems (sistemi meccanici micro-elettrici) hanno piccole dimensioni ma stanno davvero rappresentando la forza trainante di molti dei dispositivi più sorprendenti proposti sul mercato. Un MEMS è una minuscola “macchina” costituita da componenti di dimensioni micrometriche e generalmente l’intero dispositivo ha dimensioni inferiori al millimetro. Non sono ormai rare le applicazioni di combinazioni di più MEMS che offrono elevate funzionalità in package di dimensioni contenuti e non sono certamente rari gli esempi in cui li usiamo quotidianamente senza nemmeno rendercene conto: ad esempio possiamo pensare al nostro smartphone che impiega accelerometro e giroscopio per determinare l’orientazione e la direzione di spostamento del nostro dispositivo!
La tecnologia MEMS è nata dall’esigenza di combinare meccanica ed elettronica con lo scopo di poter misurare ed analizzare delle accelerazioni o delle forze agenti su una superficie (pressione). Successivamente, con lo stesso stato dell’arte, sono stati realizzati degli attuatori, come microspecchi orientabili, che hanno migliorato la qualità e i costi dell’applicazione a cui erano destinati. Come più volte ribadito, queste macchine perfette dalle dimensioni micrometriche hanno segnato una linea di confine nel processo di produzione dei dispositivi elettronici. Prima di tale avvento era impensabile poter “scolpire” il silicio con una tale precisione da avere masse sospese dalle forme complicate e ottimizzate o addirittura dei percorsi a spessore modulato per ottenere delle micro-molle dal modulo di elasticità ben controllato. La combinazione di masse, molle e cantilever così realizzati, quando in movimento sottoposti a forze esterne dovute alle accelerazioni, producono variazioni di capacità misurabili o dei veri e propri campi elettrici per azione piezoelettrica. A mio avviso, sono delle vere e proprie opere d’arte calate nel settore della sensoristica elettronica.
In rete, cercando per parole chiave, è possibile trovare video esplicativi su come vengono realizzati questi gioielli di tecnologia. Vi consiglio di andare a vedere come è fatto e il processo produttivo di un giroscopio MEMS e come viene sostituita la massa rotante con una massa messa in vibrazione (quindi attuata a livello microscopico) sfruttando per la rilevazione l’effetto Coriolis.
Benché non sono molto informato, ma posso dire con sicurezza, che l’elettronica e la meccanica gioco forza hanno sempre dovuto convivere, ovviamente oggi con tutta la miniarizzazione molto spinta in tantissimi settori, di conseguenza anche la meccanica ha dovuto seguire la stessa strada. Cito l’esempio del giroscopio i primi erano enormi immaginarsi ora in uno Smartphone…
Ho visto i primi approcci dei MEMS anche nel settore spaziale, sistemi combinatori di reti, matrici di correzione ed instradamento dei fasci RF, e molto altro.
Nello spazio però la sfida è ancora più grande che nell’automotive (temperature, vuoto spinto, particelle cariche, etc); tuttavia vale la pena di provare, riduzione dei pesi, aumento dell’affidabilità, insomma, una bella prova da sostenere.