Anche se un gran numero di dispositivi di rilevamento sono basati su silicio, vi sono alcuni compiti che possono essere eseguiti solo ricorrendo a componenti meccanici. In tempi recenti, le dimensioni di tali componenti sono andate sempre più riducendosi al fine di soddisfare le esigenze delle odierne applicazioni automotive.
Introduzione
Grazie all'utilizzo di tecnologie di microfabbricazione avanzate, è stato possibile aggiungere a un substrato di silicio comune una combinazione formata da componenti elettronici, dispositivi di rilevamento e dispositivi meccanici miniaturizzati. L'avvento di questi MEMS (Micro Electro-Mechanical System) ha aperto la strada a un gran numero di nuove opportunità per quanto riguarda il rilevamento, oltre a garantire numerosi altri vantaggi in termini di maggiore affidabilità, diminuzione degli ingombri e riduzione dei costi.
Sul mercato sono disponibili numerose tipologie di dispositivi MEMS che solitamente sono raggruppati in queste quattro categorie principali:
- Rilevamento del movimento - accelerometri e giroscopi.
- Rilevamento di oggetti basato su radar (sensori RF).
- Rilevamento a bordo veicolo di tipo generico – che comprende la misura della temperatura all'interno dell'abitacolo e il controllo della qualità dell'aria, il rilevamento a infrarossi per la visione delle condizioni stradali, oltre a dispositivi per il supporto dei display HUD (Head-Up Display)
- Rilevamento di flusso e pressione
In sintesi, la possibilità di rilevare un numero maggiore di parametri garantisce un monitoraggio migliore e un controllo più efficace. I sensori MEMS sono andati via via diffondendosi e ora sono presenti in numerosi apparati critici di un veicolo come ad esempio i sistemi EPS (Electronic Stability Program - per il controllo elettronico della stabilità) e ABS (Anti-Lock Braking - per evitare il blocco delle ruote in frenata), i sistemi di sospensione automatizzati (sospensioni attive) e in parecchi sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS - Automated Driver Assistance Systems).
I sensori MEMS non solo permettono di aumentare la sicurezza, ma rivestono un ruolo importante nella riduzione sia dei consumi sia delle emissioni, oltre a contribuire al miglioramento del comfort del guidatore e dei passeggeri.
Figura 1: Schema di un tipico sensore basato su MEMS con il relativo circuito di condizionamento.
Rilevamento del movimento: non solo accelerometri e giroscopi
Gli accelerometri assolvono molte funzioni all'interno dei veicoli, misurando le forze di accelerazione (e di frenata) in termini di forza gravitazionale (g), dalle quali è possibile desumere altri parametri come velocità e distanza. Alcuni accelerometri MEMS utilizzano l'effetto piezoelettrico: in questo caso la deformazione delle strutture cristalline microscopiche del materiale che costituisce l'accelerometro prodotta dal movimento del veicolo genera una tensione proporzionale alla deformazione stessa. Esistono numerosi tipi di accelerometri, tra cui gli accelerometri capacitivi e termici, e i progettisti devono scegliere l'opzione migliore per la particolare applicazione considerata. Nel processo di selezione è necessario tener conto di numerosi fattori tra cui frequenza di risonanza, affidabilità e stabilità del dispositivo, ampiezza di banda e consumo di potenza.
Mentre gli accelerometri misurano un movimento lineare, i sensori giroscopici misurano la velocità angolare, in gradi al secondo (°/s) o in alternativa in rivoluzioni al secondo (rps): ciascuna di queste due unità di misura fornisce la velocità di rotazione. Anche se i criteri di scelta sono molto simili a quelli adottati per gli accelerometri, nel caso dei giroscopi è necessario tenere conto della sensibilità alla interferenze elettromagnetiche (EMI) che possono avere un impatto significativo sull'accuratezza della misura.
Una delle applicazioni più comuni per questa tecnologia riguarda i sensori di impatto in grado di rilevare urti significativi subiti da un veicolo. Basato su sensori inerziali (accelerometri e giroscopi), un modulo sensore di questo tipo esegue il monitoraggio continuo dell'accelerazione di un veicolo. Nel momento in cui viene superata una soglia prestabilita, un microcontrollore (MCU) calcola la differenza di velocità tramite l'integrazione dei valori di accelerazione. Nel caso si verifichi una variazione rapida e significativa della velocità (lineare o angolare) il sistema decide che si è verificato un impatto e adotta le misure di salvaguardia più adatte.
La linea di accelerometri a 3 assi AIS1120SX/AIS2120SX di STMicroelectronics si distingue per alcune caratteristiche di rilievo tra cui bassi livelli di rumore, elevata risoluzione di misura e disponibilità di numerose modalità per il contenimento dei consumi, tra cui una funzione di wake-up. Questi sensori di accelerazione sono in grado di misurare elevati valori di g (high-g) che solitamente si manifestano nel corso di un impatto e garantiscono un range di rilevamento dell'ampiezza dell'intero segnale in un intervallo di temperatura molto ampio. Qualora fossero richiesti livelli di integrazione più spinti, i progettisti possono optare per i dispositivi a 6 assi iNEMO, sempre di produzione ST, che ospitano in un unico chip accelerometro e giroscopio.
Figura 2: Schema a blocchi di un accelerometro della linea AIS1120SX di STMicroelectronics.
Il giroscopio basato su MEMS ADXRS910 di Analog Devices può rilevare eventi di una certa gravità come ad esempio il ribaltamento di un veicolo. In grado di operare nell'intervallo di temperatura compreso tra -40°C e + 105°C, il dispositivo integra un sensore di temperatura per compensare gli effetti delle variazioni della temperatura ambiente assicurando un elevato livello di stabilità. Tra le altre caratteristiche di rilievo di questo giroscopio, ospitato in un package SOIC molto sottile, si possono annovera il ridotto assorbimento di corrente, inferiore a 20 mA in presenza di un'alimentazione a 5 o a 3,3 V e il range di misura di ± 300°/sec. Per la comunicazione dati con il resto dei sistemi presenti a bordo del veicolo è prevista un'interfaccia SPI.
Figura 3: Schema a blocchi del giroscopio ADXRS910 di Analog Devices.
Misure di pressione e a ultrasuoni
Per poter operare in modo corretto e sicuro, i veicoli utilizzano diversi tipi di liquidi tra cui carburante, liquido per il raffreddamento del motore, olio motore, liquido dei freni, liquido lavavetri e così via. Per garantire un funzionamento sicuro è necessario monitorare il livello di tutti questi liquidi mediante dispositivi come ad esempio il sensore di pressione MEMS MLX90819 di Melexis. Questo dispositivo utilizza onde sonore a ultrasuoni, (quindi non percepibili dall'orecchio umano) per determinare la distanza con la superficie del liquido. Un trasduttore è installato sul fondo del serbatoio che contiene il liquido mentre sulla superficie di quest'ultimo viene introdotto un elemento galleggiante che riflette le onde a ultrasuoni.
Utilizzando una tecnica nota come "tempo di volo" (ToF - Time of Flight), viene misurato il tempo impiegato dalle onde a ultrasuoni per viaggiare dal trasduttore al galleggiante e per ritornare al ricevitore rispetto a un segnale temporale molto accurato. Questo tempo corrisponde alla distanza dalla superficie e una volta noto questo valore, unitamente al valore della sezione trasversale del contenitore, è possibile calcolare con precisione il volume del liquido. Poichè l'accuratezza della misura può essere influenzata dalle variazioni di temperatura del liquido, molti sensori integrano un elemento per il rilevamento della temperatura in modo da poter applicare la compensazione richiesta e garantire una lettura accurata in tutte le condizioni operative.
Con gli ultrasuoni è possibile utilizzare tecniche simili a quella appena descritta per determinare la velocità di un liquido che fluisce in una conduttura.
Molte soluzioni di tipo SoC (System on Chip), come appunto di dispositivi MEMS, integrano un circuito AFE (Analog Front End) di elevata precisione in grado di assicurare accuratezze fino a 1 mm in un intervallo di misura compreso tra 10 mm e 1 m. Un esempio è rappresentato da TDC1000 di Texas Instruments, un dispositivo ottimizzato per misure di livello a ultrasuoni e applicazioni analoghe. In abbinamento a una MCU appropriata, TDC1000 costituisce una soluzione completa per le misure a ultrasuoini.
Figura 4: Schema a blocchi del sensore MLX90819 di Melexis.
Considerazioni conclusive
La tecnologia MEMS sta acquisendo un'importanza sempre maggiore nel settore automotive in quanto consente di misurare un numero crescente di parametri, contribuendo in tal modo a migliorare i sistemi preposti alla sicurezza del veicolo, oltre ad apportare altri vantaggi in termini di aumento del comfort degli occupanti e di riduzione dei consumi. Nel momento in cui l'automazione dei veicoli diventa sempre più spinta, con l'obiettivo finale di realizzare veicoli completamente autonomi, i dispositivi MEMS rivestiranno un ruolo cruciale nell'assicurare un funzionamento corretto, ma soprattutto sicuro, dei veicoli stessi.
A cura di Mark Patrick,
Mouser Electronics
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Molti insetti riescono a compiere movimenti spettacolari grazie alla propria forma e dimensioni. E l’elettronica non è da meno. L’esistenza dei cellulari, smartphone, tablet e altro si deve solo alla miniaturizzazione dei componenti elettronici e meccanici.
Non solo da un punto di vistra squisitamente pratico, ma anche fisico. Ad esempio, un condensatore da 0.00001 pF può essere realizzato solo con un dielettrico minuscolo. Oppure ancora, un ricevitore radio a 2 Ghz si può creare solo con un circuito etremamente piccolo, in modo che le perdite siano minime e che le reattanze capacitive e induttive non abbiano a influire sul sistema. E lo stesso dicasi per i componenti meccanici. Gran bell’articolo.
Per il settore automotive l’autonomous driving è il futuro. La possibilità di poter disporre di sensoristica tecnologicamente avanzata permette di raggiungere gli standard qualitativi di sicurezza che sono necessari nel sistema veicolo o veicolo-conducente. Solo tramite un costante monitoraggio dei parametri si può ottenere la massima efficienza.
Salve, articolo molto interessante. Nella parte iniziale dell’articolo vedo che sono stati citati anche i MEMS per Rilevamento di oggetti basato su radar (sensori RF). Qual è la loro architettura ed il loro principio di funzionamento?
Il funzionamento è simile al radar. Se fai una ricerca sul sito trovi molti articoli. Fammi sapere
Senz’altro, lo farò. Grazie.
Altro interessante articolo facente fulcro sui sensori MEMS. Credo che la vera diffusione capillare di questa tecnologia di sensori sia avvenuta grazie alla ricerca e sviluppo nel settore dei dispositivi mobili e dell’automotive. Attualmente, in auto di ultima generazione, qualunque grandezza o parametro sia misurabile lo si misura, ai fini della sicurezza ma anche del comfort di guida. In questi settore, gli accelerometri e i giroscopi la fanno da padrone, ma anche sensori che sfruttano per la misura principi fisici differenti, come il ToF (tempo di volo) per la misura dei volumi.
Ignoravo l’esistenza dei sensori Radar RF, anche se a conti fatti non c’è tanto da meravigliarsi visto che nel ventaglio dei MEMS, i sensori con vera struttura meccanica integrata sono proprio gli accelerometri e i giroscopi. Fatti questi, altri dispositivi non possono che essere meno complessi dal punto di vista produttivo. Questa è la mia idea, ma sono pronto ad essere smentito su questa mia ultima affermazione. 🙂