Connettori, interruttori e relè: sempre più piccoli e intelligenti

Depositphotos_2446667_original

I sistemi embedded stanno rapidamente evolvendo verso dimensioni sempre più ridotte e funzionalità che richiedono prestazioni e caratteristiche più versatili e innovative. Molti dei requisiti dei sistemi embedded dipendono dalla funzionalità di dispositivi elettromeccanici come componenti di connessione (cavi e connettori), di comando (switch) e di commutazione (relè). Tali dispositivi, data la natura meccanica ed elettromeccanica non riescono ad evolvere con altrettanta rapidità ed efficacia come i componenti microelettronici, rendendo in tal modo difficoltosa la realizzazione di sistemi embedded e ultra embedded di nuova generazione. In tale contesto di sviluppo, la connettività e il controllo elettromeccanico stanno evolvendo in modo da essere compatibili con tali requisiti, sia riducendo le dimensioni, sia integrando funzionalità “intelligenti” intese a risolvere problematiche di natura dimensionale e di natura funzionale, a livello di sistema. I sistemi ultra embedded e i wearable richiedono connettori più piccoli e versatili. La tendenza alla miniaturizzazione sempre più spinta e il boom dei sistemi ultra embedded e indossabili ha portato i produttori di componenti per sistemi embedded a impegnarsi nello sviluppo di connettori di ridotte dimensioni come i micro USB, i connettori da scheda rigida a scheda flessibile, i connettori di batterie e i cavi di interconnessione completamente custom. I dispositivi tendono a diventare sempre più piccoli e di conseguenze l’interconnettibilità è una sfida sempre più ardua. I componenti microelettronici dei sistemi ultra embedded e indossabili continuano a ridursi nelle dimensioni, enfatizzando in tal modo la necessità di un adeguamento dei componenti meccanici, in particolare quelli destinati alla connettività. La necessità è quella di ottenere componenti per la connessione del giusto fattore di forma e di un adeguato livello produttivo (basso profilo e piccola superfice di connessione), in modo da non impedire al sistema finale di essere sottile quanto la sua natura applicativa lo richieda. Il problema fondamentale sta dunque nella natura ultra miniaturizzata del sistema che deve interconnettersi con altri sistemi altrettanto miniaturizzati o non miniaturizzati, come per esempio display, sensori, alimentazione e dispositivi di tenuta dei dati. Un caso particolare ed emblematico è quello dei dispositivi indossabili. Lo spazio all’interno di questi dispositivi è sicuramente una risorsa rara, quindi le soluzioni di interconnessione devono necessariamente essere innovative, in particolare devono integrare una parte della circuiteria del sistema come le piste, le schermature e tutta quell’elettronica che il connettore richiederebbe al contorno. Un esempio emblematico è la tecnologia Mid (Molded Interconnect Device), una metodologia di interconnessione 3D di natura elettromeccanica, intesa a tenere insieme le varie parti di sistema per la connessione (come il Pcb, i connettori, i cavi, ecc.) in una parte funzionale completa e compatta, che consente di ingegnerizzare l’assemblaggio e la realizzazione ottimale del sistema. Il Mid consente la realizzazione di un dispositivo tramite l’integrazione tra la plastica e le piste elettroniche, cioè tramite un processo di stampaggio termoplastico a iniezione che combina il substrato plastico con la circuiteria in una singola parte attraverso la metallizzazione selettiva. I dispositivi ultra embedded e indossabili rappresentano dunque un campo applicativo in rapidissima espansione in cui la problematica della connettività gioca un ruolo fondamentale come tecnologia abilitante. Par tali dispositivi sono già disponibili connettori specifici, per esempio per gli smart watch o gli smart wrist. Per esempio uno dei principali problemi di ingegnerizzazione dei sistemi indossabili è quello di coniugare in maniera efficiente la velocità di carica con la velocità di trasferimento dati. TE Connectivity, per esempio, ha sviluppato un sistema di connessione unico per l’I/O ad alta velocità su Usb 3.0 e 2.0 con capacità di erogazione fino a 3.0 A. Un’innovazione nei connettori che supera le limitazioni strettamente meccaniche è il Magnetically Attached Cable che consente di ottenere una connessione Usb senza azione meccanica di inserimento e senza impegnare la superficie del dispositivo con l’alloggiamento del connettore femmina dell’Usb.
Un’altra modalità di connessione è quella senza contatto (contactless). In questo caso il contatto elettrico diretto viene sostituito da una connessione senza contatto fisico, utilizzando la tecnologia di trasferimento senza contatto di dati e di alimentazione su breve distanza. In questi sistemi di connessione vie utilizzato il sistema magnetico per la tenuta tra i punti di connessione e una coppia di transceiver (una per lato di accoppiamento) per trasmettere con modalità wireless sia i dati che la potenza elettrica necessaria alla connessione di dispositivi attivi. La tecnologia di carica contactless consente di implementare la carica elettrica dei sistemi in modalità wireless, cioè senza contatto elettrico diretto. La tecnologia è quella della carica induttiva, basata su un nucleo induttivo e la necessaria elettronica per il controllo della carica dei dispositivi. Il nucleo di carica genera un campo elettromagnetico che consente a questo di trasferire energia al nucleo induttivo del sistema che deve essere ricaricato o alimentato. I vantaggi di sistema che ne derivano sono numerosi e tutti a favore dei requisiti applicativi dei sistemi embedded e ultra embedded.


Switch e relè: intelligenza e miniaturizzazione
La tecnologia Mems (Micro electro mechanical systems) è una delle tecnologie abilitanti che permettono di coniugare in maniera efficace la microelettronica con la micromeccanica, consentendo allo stesso tempo di preservare i vantaggi della meccanica e di fruire delle peculiarità dell’elettronica. Applicando la tecnologia Mems per la realizzazione di componenti tipicamente meccanici come gli interruttori ed elettromeccanici come i relè, è possibile scalare tali dispositivi alla dimensione microelettronica pervenendo a livelli di miniaturizzazione compatibili con quelli dei sistemi microelettronici. Un esempio di realizzazione Mems di un relè viene da Analog Devices. Si tratta dell’ADGM1304, uno switch a larga banda (da Dc a 11/14 GHz), single pole four-throw (SP4T) realizzato applicando la tecnologia dei sistemi micro-elettromeccanici, cosiddetti Mems, che consente di implementare con modalità simile a quella microelettronica funzionalità di tipo meccanico controllate dall’elettronica, come appunto i relè. Grazie a questa tecnologia, Analog Devices ha ottenuto in tale dispositivo prestazioni significative in termini di elevata potenza, basse perdite e basse distorsioni, operando a frequenza dell’ordine dei GigaHertz (frequenze attualmente richieste in ambiti applicativi come la comunicazione e le applicazioni Rf). Grazie alla possibilità di integrare a livello microelettronico altre funzionalità oltre quella meccanica, è stato possibile realizzare nel medesimo dispositivo un chip di controllo che genera l’elevata tensione necessaria per la commutazione dei quattro switch attraverso un’interfaccia parallela compatibile Cmos/Ttl. Questa soluzione Mems consente di sostituire i relè per ottenere elevate prestazioni di commutazione in modalità Rf, di realizzare apparecchiature di test automatico e di implementare applicazioni di signal processing riconfigurabili come i filtri e gli attenuatori, in contesti di sistemi di ridottissime dimensioni essendo realizzato in un package di 5 x 4 mm x 0.95 mm in tecnologia lead frame chip-scale package. La tecnologia Mems in ambito Rf consente di ottenere prestazioni più elevate in contesti applicativi più sfavorevoli, come per esempio la diminuzione della qualità vocale nelle applicazioni telefoniche wireless portatili. Il trend di riduzione delle dimensioni degli smartphone con contemporaneo aumento degli spazi occupati da display e batteria, portano a più sfavorevoli condizioni di sviluppo dell’antenna che, oltre ad essere schermata parzialmente dalle parti metalliche del contenitore, è anche di ridotte dimensioni, quindi meno efficiente. Commutare su una delle numerose bande trasmissive disponibili è una tecnica per rendere più efficiente la funzionalità dell’antenna. La realizzazione dello switch in tecnologia Mems è una importante innovazione che consente di migliorare le prestazioni dell’antenna in un contesto di dimensioni estremamente ridotto. Lo SmarTuner di Cavendish Kinetics è composto di un ampio numero di switch Mems che consentono di implementare una elevata granularità e accuratezza nel controllo dell’antenna. Lo switch Mems è ancorato in una modalità che evita la degradazione nel tempo, quindi mantenendo prestazioni ottimali sul lungo periodo. La cella Mems è completamente inglobata in un circuito integrato che previene la contaminazione della cella. Grazie alla realizzazione Mems le dimensioni del dispositivo sono estremamente ridotte (2 mm2) e i consumi di solo 100 microampere. Lo scopo dello switch è quello di commutare diverse capacità verso l’antenna in modo da cambiarne le caratteristiche elettriche e quindi spostarne la frequenza operativa. La tecnologia Mems consente di implementare questa funzione meccanica in un contesto microelettronico, venendo incontro ai requisiti stringenti dei sistemi RF di ultima generazione e allo stesso tempo di superare le difficoltà implementative che tali sistemi stanno facendo emergere.

Pubblica i tuoi commenti