Come rivoluzionare i MEMS

Un’azienda americana, depositaria di una tecnologia innovativa, rivoluziona i concetti costruttivi dei MEMS ottenendo prodotti più efficienti e precisi, ma anche più semplici da progettare.

 

Rappresentazione della massa di prova di un accelerometro MEMS.

Gli accelerometri svolgono un ruolo importante in molti settori del mercato. Accelerometri sono presenti negli smartphone che abbiamo in tasca, così come all’interno delle auto moderne. Le applicazioni mediche di questi dispositivi stanno crescendo di giorno in giorno. Misurare il tasso di variazione della velocità sembra avere infatti applicazioni illimitate. Quindi, non sorprende che siano stati prodotti oltre 2 miliardi di accelerometri MEMS abbiano venduto oltre 2 miliardi di unità in totale lo scorso anno, secondo lo "Status of the MEMS Industry report 2015” di Yole Développement".

Esistono molte tecniche di progettazione disponibili per creare un accelerometro. Una tecnica comune è fabbricare un dispositivo MEMS con una massa di prova sospesa su molle. Con l'accelerazione, la massa si sposta chiudendo gli spazi tra i finger fissi e mobili, cambiando la capacità degli stessi. Quando ai finger vengono applicate delle tensioni, la massa di prova si sposta, i finger mobili sviluppano una tensione causata dal cambiamento di capacità. Questa tensione viene misurata per determinare l'accelerazione. Tuttavia, le parti in movimento sono soggette ad attrito statico (due superfici in stretta prossimità, come i finger, aderiscono l'una all'altra), errori dovuti alla vibrazione e rottura effettiva delle parti in movimento a causa di urti (forze g).

MEMSIC Inc., con sede ad Andover nel Massachusetts, ha sviluppato una tecnologia MEMS e CMOS senza parti mobili. Utilizzando una tecnologia termica originale, l'accelerazione viene misurata utilizzando molecole di gas riscaldate.

Pertanto, l'accelerometro MEMSIC offre molti vantaggi:

  • nessun attrito statico;
  • tollera urti di oltre 50.000 g;
  • Non presenta alcuna risonanza misurabile (con conseguente immunità alle vibrazioni);
  • stabilità offset a zero-g;
  • nessuna isteresi rilevabile.

È abbastanza difficile progettare un sistema a segnali misti sullo stesso chip in cui sia presente un dispositivo MEMS. MEMSIC è riuscita a integrare queste tecnologie sullo stesso silicio e vendere milioni di accelerometri per un gran numero di diverse applicazioni. L'azienda ha anche superato altri due ostacoli: mantenere bassi i costi di produzione attenendosi a un processo di produzione di CMOS IC standard e standardizzare lo sviluppo su un singolo set di tools Tanner.

Rilevamento di accelerazione e movimento

Struttura base dell'accelerometro MEMSIC

La maggior parte degli accelerometri dipende dalla massa in movimento per determinare lo spostamento. MEMSIC si differenzia tuttavia dai concorrenti per l'uso di un sensore termo-meccanico in silicio.

Al centro del sensore di 1 mm quadrato c'è un riscaldatore che funziona a 100 °C al di sopra della temperatura dell’ambiente. Intorno al riscaldatore si trovano termopile disposte simmetricamente per riportare i valori di temperatura in diverse posizioni. Una termopila è formata da una serie di termocoppie o di elementi sensibili alla temperatura, collegati in serie per aumentare la tensione. L'intero sensore è sigillato ermeticamente in una cavità con presenza di aria/gas, al di fuori della quale è presente un circuito analogico per l'amplificazione, il controllo, la conversione analogico-digitale e, nei modelli a tre assi, un circuito di compensazione/calibrazione digitale.

In assenza di movimento, il profilo termico viene bilanciato tra le termopile. Qualsiasi movimento o accelerazione modifica il modello di convezione attorno al riscaldatore, in modo tale che le termopile – nella direzione dell'accelerazione – diventino più calde delle altre. Il circuito analogico interpreta i cambiamenti di segnale risultanti dalle termopile come movimento e accelerazione.

Senza parti in movimento, gli accelerometri MEMSIC sono più duraturi, più affidabili e fino a 25 volte più resistenti agli urti (superiori, come si è detto, a 50.000 g) rispetto alle controparti meccaniche nella misura della pendenza, dell’inclinazione, degli urti e delle vibrazioni. I chip vengono utilizzati in prodotti che richiedono il controllo o la misurazione del movimento come allarmi per auto, nell’elettronica dei dispositivi mobili, nei sistemi di posizionamento globale, nei controlli degli ascensori, nei dispositivi di monitoraggio dei pazienti e negli head-mounted display dei videogiochi.

Un toolset per la progettazione di circuiti analogici e MEMS

Layout dell'accelerometro usando l’L-Edit

Negli anni '90 il nostro centro di progettazione utilizzava i tools della Tanner, pertanto sono stati adottati e da allora li abbiamo sempre utilizzati”, spiega Yongyao Cai, Director of Technology Partnership and Development di MEMSIC. "I nostri accelerometri riuniscono MEMS IP e circuiti analogici IP, e i tools della Tanner sono abbastanza flessibili sia per i nostri circuiti che per il sensore. Modelliamo il sensore come un resistore e possiamo anche modellarlo come resistenza polarizzata perché la termopila possiede una polarità".

Per la progettazione degli accelerometri, i tecnici di MEMSIC utilizzano il MEMS Pro, un'applicazione sviluppata da SoftMEMS partendo dalla base dell’L-Edit della Tanner per la progettazione e l'analisi dei MEMS. In effetti, i primi prodotti MEMSIC erano molto più semplici e non richiedevano una simulazione meccanica completa, quindi gli ingegneri specializzati in MEMS lavoravano direttamente in L-Edit.

Gli ingegneri di MEMSIC utilizzano ora invece MEMS Pro per creare un modello 3D partendo direttamente dal layout per l'analisi degli elementi finiti. Usano poi L-Edit per modificare i dettagli del sensore e per lo stesso layout. Dopo di ciò utilizzano l’L-Edit LVS e l’L-Edit Standard DRC e, infine, esportano un file di layout GDS direttamente dall’L-Edit inviando poi il tapeout definitivo alla TSMC per la fabbricazione.

Progettazione di MEMS e realizzazione di CMOS

Per sfruttare i più bassi costi di fabbricazione, MEMSIC progetta i suoi sensori quasi esclusivamente con layer CMOS standard. Ad esempio, il riscaldatore è in silicio policristallino, mentre il primo strato della termopila è in metallo e in silicio policristallino.

Abbiamo un enorme vantaggio rispetto ai nostri concorrenti”, dichiara Yongyao. “Il nostro processo è quasi indipendente dalla fonderia di fabbricazione perché il nostro design è per il 95-99% CMOS. Possiamo facilmente cambiare il processo e la fonderia per sfruttare i migliori prezzi di produzione. I nostri concorrenti, d'altra parte, utilizzano processi MEMS proprietari, fabbricando da soli o avvalendosi di fonderie specializzate, ma questo è comunque sempre più costoso rispetto a lavorare con una fonderia CMOS tradizionale. "

MEMSIC ha anche un vantaggio quando si cambia geometria. La maggior parte dei suoi concorrenti utilizza ancora la tecnologia di processo di vecchia generazione e il passaggio a una tecnologia più recente di MEMS comporterà un processo completamente diverso e un processo di conversione costoso. MEMSIC utilizza invece una tecnologia più recente e il processo CMOS IC standard consente di aumentare rapidamente i volumi e la produzione anche dopo un cambio di geometria.

A Pechino 92.000 accelerometri

L'applicazione di carattere più pubblico della tecnologia MEMSIC è stata per la “Waving Torch” elettronica distribuita a tutti i partecipanti alle cerimonie di apertura dello stadio "Bird's Nest" in occasione delle Olimpiadi del 2008 a Pechino, in Cina.

La torcia assomiglia a una bacchetta da 20-30 cm, dotata di una serie lineare di LED. Se si scuote da una parte all'altra, la torcia inganna l'occhio umano presentandogli immagini olimpiche iconiche - i simboli dei principali sport, il logo olimpico, i saluti cinesi e le cinque mascotte olimpiche - visualizzate a mezz'aria mentre i LED si accendono e si spengono. La tecnologia di base della torcia include un algoritmo MEMSIC e un accelerometro (progettato con strumenti della Tanner) per rilevare il movimento della mano avanti e indietro della mano dell'utente e per accendere ciascun LED a seconda delle necessità dell'immagine.

"Abbiamo lavorato a questo progetto per sei mesi come strumento promozionale dell’evento olimpico", afferma Yongyao. "L'utente fa ondeggiare la torcia nell'aria e i LED visualizzano il modello voluto sfruttando il movimento. Questo è un buon esempio di quante informazioni un accelerometro possa fornire su posizione, orientamento e velocità."

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