Il mondo sconfinato dei sistemi microelettromeccanici

IMEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), ovvero i sistemi microelettromeccanici, rappresentano il nucleo centrale di un gran numero di tecnologie e prodotti di uso quotidiano. Dispositivi elettronici portatili, apparecchi televisivi, prodotti per il monitoraggio della forma fisica (fitness tracker), pacemaker, automobili e persino le moderne sale cinematografiche sfruttano le evoluzioni e i progressi compiuti in questo settore. Rispetto ai loro “fratelli maggiori” (dal punto di vista dimensionale), i sensori e gli azionamenti MEMS non solo spesso risultano di gran lunga più economici, ma sono anche caratterizzati da un maggior livello di integrazione e sono più semplici da produrre in grandi volumi, oltre a garantire livelli di affidabilità decisamente superiori.

Schema di progetto di un accelerometro lineare MEMS, dove la capacità è misurata tra la massa in movimento e le armature esterne fisse. [Fonte: Analog Devices]
Com’è noto, con il termine MEMS si identifica una classe dispositivi che si distinguono in modo particolare per le loro dimensioni microscopiche che possono essere dell’ordine dei micron, inferiori quindi a quelle di un capello umano. Rispetto ai dispositivi a semiconduttore, anch’essi caratterizzati da dimensioni simili, i MEMS prevedono anche elementi di natura meccanica. Il compito di questi ultimi è rilevare un determinato parametro oppure attivare qualcosa all’interno del loro ambiente.

L’idea che sta alla base di questi sistemi microelettromeccanici è piuttosto datata e risale agli anni ‘60: il primo riferimento alla possibilità di manipolare atomi e molecole e di sviluppare piccole strutture su scala atomica compare in una celebre lezione tenuta da Richard Feynman nel 1959 al meeting annuale dell’American Physical Society presso il Caltech (California Institute of Technology). In ogni caso, solamente negli ultimi tre decenni i processi di fabbricazione e la tecnologia microelettronica hanno compiuto progressi tali da consentire la produzione dei MEMS su scala commerciale. Una delle prime applicazioni in volumi dei dispositivi MEMS è stata quella dei sistemi di airbag per le automobili. Agli inizi degli anni ‘90 Analog Devices sviluppò accelerometri miniaturizzati basati su MEMS da utilizzare come sensori di impatto. Rispetto ai precedenti dispositivi di dimensioni macroscopiche, questi nuovi chip erano più economici e affidabili, oltre che ovviamente, notevolmente più piccoli. Tutti questi fattori ne decretarono un notevole successo di vendita e hanno contribuito a far diventare, nel corso degli anni, gli airbag una dotazione standard in tutti i modelli di autovetture.

Negli anni seguenti vi sono stati significativi sviluppi nel settore dei MEMS che hanno portato alla realizzazione di stampanti a getto d’inchiostro ad alta risoluzione, console per videogiochi con rilevamento del movimento (come ad esempio Nintendo Wii) e proiettori digitali che abbinano elevate prestazioni e costo contenuto. I progressi della tecnologia MEMS hanno subito un’accelerazione soprattutto grazie all’avvento e alla successiva diffusione degli smartphone. Oltre ad apportare notevoli migliorie ai dispositivi consumer di uso quotidiano, i dispositivi MEMS hanno tutte le potenzialità per garantire un significativo miglioramento in campo sanitario, grazie all’evoluzioni della tecnologia medicale.

Gli smartphone hanno inaugurato una nuova era nel settore dell’elaborazione mobile che richiedeva l’integrazione di un numero sempre maggiore di funzionalità in un fattore di forma via via più ridotto senza per questo incidere sul prezzo del prodotto finale. Queste esigenze potevano essere soddisfatte solo grazie al ricorso alla tecnologia MEMS che ha permesso di realizzare dispositivi come microfoni e altoparlanti sempre più piccoli e caratterizzati da bassi consumi e costi contenuti. Per altri componenti come dispositivi per la stabilizzazione ottica dell’immagine, per il rilevamento del movimento o bussole digitali, la tecnologia MEMS è l’unica alternativa che ne permette l’integrazione all’interno di uno smartphone.

Smartphone a parte, la tecnologia MEMS è anche indispensabile per i dispositivi indossabili, che possono sfruttare le sue caratteristiche in termini di riduzione di dimensioni, consumi e costi. Oltre all’elettronica di consumo (portatile o indossabile), il mercato più promettente per la tecnologia MEMS è probabilmente quello dei dispositivi medicali. Sia che si tratti di attrezzature ospedaliere o di prodotti per la telemedicina, i dispositivi MEMS offrono la possibilità di ridurre i costi del sistema, diminuire gli ingombri e, molto spesso, garantire notevoli miglioramenti in termini di accuratezza e affidabilità rispetto ai sensori tradizionali.

Settori di applicazione dei MEMS

Con l’acronimo MEMS si identifica una vasta gamma di dispositivi, tutti realizzati utilizzando le tecniche di microfabbricazione mutuate dall’industria dei semiconduttori, come la fotolitografia e l’incisione o attacco chimico (etching). Attualmente, quasi tutti i sensori o trasduttori meccanici hanno un equivalente MEMS. Un chip MEMS risulterà quindi composto da un elemento micromeccanico e da un elemento per il condizionamento dei segnali integrati in una minuscola scheggia di silicio. Un livello di integrazione così spinto, abbinato alla miniaturizzazione che è una caratteristica intrinseca dei MEMS, permette di ridurre il costo unitario, semplifica il processo di integrazione nei dispositivi elettronici e spesso contribuisce ad aumentare l’affidabilità.

Accelerometri e sensori inerziali

Gli accelerometri, ovvero i prodotti simili a quelli realizzati da Analog Devices che hanno rivoluzionato il settore degli airbag per automobili, rappresentano ancora oggi una delle più diffuse e importanti categorie di dispositivi MEMS. Nella sua forma più semplice, un accelerometro è costituito da una massa sospesa mediante una molla e da armature esterne fisse. Quando viene spostata, la capacità tra la massa in movimento e le armature fisse esterne fornisce una misura dell’accelerazione lungo l’asse di movimento. L’accelerometro lineare può essere configurato in modo da poter misurare l’accelerazione in due o tre dimensioni: per far questo è sufficiente “impilare” e montare in modo opportuno più accelerometri lineari, oppure sospendere una massa tridimensionale in grado di muoversi all’interno di una struttura con le armature esterne fisse ubicate in posizioni prestabilite. Quando sono abbinati con giroscopi basati su MEMS, gli accelerometri possono dar vita a sistemi per il rilevamento del movimento avanzati. Un esempio è rappresentato da un dispositivo come l’accelerometro e giroscopio 3D di recente introdotto da STMicroelectronics in grado di rilevare sia il movimento sia la rotazione lungo tre assi differenti.

MEMS ottici

Figura 2: Gli array DMD sono formati da milioni di microspecchi che agiscono in modo coordinato per modulare un’immagine. [Fonte: Texas Instruments]
Oltre agli accelerometri, i Digital Micromirror Device (DMD), messi a punto nei laboratori di Texas Instruments, sono una categoria di MEMS di tipo ottico largamente diffusa. I chip DMD consistono in array formati da milioni di microspecchi di dimensioni piccolissime. Ciascuno di questi specchi (che corrisponde a un pixel di un’immagine digitale) è montato a cerniera ed è controllabile in termini di rotazione in un range solitamente compreso tra +10 o -10 gradi, in funzione dello stato elettrico della cella di memoria CMOS su cui sono posizionati.

Quando si trova nello stato di on, uno specchio riflette la luce verso il target, illuminando il pixel, mentre quando si trova nello stato di off la luce è diretta altrove. Al fine di generare la scala dei grigi viene utilizzata la modulazione PWM (Pulse Width Modulation) per commutare rapidamente lo specchio dallo stato di on a quello di off. Il rapporto tra il tempo di on e quello di off produce diverse sfumature della luce proiettata. Per generare il colore la sorgente luminosa può essere fatta passare attraverso un filtro di colore (disco RGB) oppure e possibile utilizzare tre array DMD ciascuno dei quali sarà illuminato dalla luce di uno dei tre colori primari. I dispositivi DMD sono utilizzati in un gran numero di apparecchiature ottiche tra cui proiettori per uso professionale e consumer, apparecchi televisivi, Display HUD (Head-Up Display) e molti altri ancora.

Sensori di pressione

Figura 3: Esempio di sensore di pressione MEMS: un elettrodo posto su un diaframma mobile permette di misurare la variazione di capacità. [Fonte: Omron]
I sensori di pressione MEMS sono dispositivi relativamente semplici. Un diaframma mobile con un elettrodo collegato si muove quando viene esercitata una pressione. La variazione di capacità viene misurata rispetto a un elettrodo fisso e determina la pressione che viene esercitata sul dispositivo. Il sensore di pressione MEMS di Omron riportato in figura 3 utilizza il metodo appena descritto. Nonostante la semplicità del principio alla base del loro funzionamento, i sensori di pressione MEMS sono dispositivi estremamente versatili, disponibili in un’ampia gamma di fattori di forma e possono essere utilizzati in svariate applicazioni: tra i numerosi esempi si possono annoverare sensori microscopici per la misura della pressione atmosferica o degli pneumatici degli autoveicoli, oppure sensori di pressione per cateteri usati in ambito medicale.

Aumenta il numero di applicazioni MEMS

Il costo inferiore e l’elevato livello di integrazione ottenuti grazie all’utilizzo di tecniche di fabbricazione proprie dei dispositivi a semiconduttore hanno permesso l’impiego dei MEMS in un numero sempre più ampio di applicazioni. Le potenzialità di questi dispositivi microelettromecceanici, largamente diffusi nel settore consumer, stanno iniziando a essere sfruttati in altri comparti, come ad esempio quello medicale. Come già accennato in precedenza, i dispositivi MEMS hanno trovato largo spazio nell’elettronica consumer: dai MEMS ottici DMD utilizzati nei televisori ad alta risoluzione (HDTV) ai numerosi MEMS ospitati negli odierni smartphone, tablet e prodotti indossabili. I moderni smartphone, in particolare, traggono un notevole vantaggio dall’uso di svariate tecnologie MEMS, grazie alle quali è possibile integrare sempre più funzionalità in un dispositivo compatto e tascabile. Accelerometri e giroscopi consentono di rilevare il movimento per le app, ruotando automaticamente schermate o visualizzazioni in funzione dell’orientamento del cellulare. Gli stabilizzatori di immagine ottici basati su MEMS con giroscopi integrati permettono a questi “gioiellini” tecnologici di realizzare immagini straordinarie. Le ridottissime dimensioni che caratterizzano i microfoni capacitivi basati su MEMS permettono l’integrazione di un paio di questi dispositivi in un singolo smartphone, consentendo di implementare sofisticate funzionalità di cancellazione dell’eco. Oltre a permettere l’aggiunta di nuove funzionalità, la tecnologia MEMS viene utilizzata nell’elettronica consumer anche per ridurre dimensioni e consumi di potenza di funzioni che tradizionalmente venivano implementare utilizzando componenti di maggiori dimensioni. Le versioni MEMS di filtri RF, oscillatori e condensatori variabili hanno di fatto soppiantato le rispettive controparti tradizionali, decisamente più ingombranti e meno affidabili.

MEMS per applicazioni in ambito medicale

Attualmente, le applicazioni più interessanti e innovative della tecnologia MEMS sono quelle in ambito medicale. Dal miglioramento delle voluminose apparecchiature ospedaliere e della strumentazione medicale portatile alla realizzazione di dispositivi medicali indossabili e per le analisi di tipo “point of care” (POC - ovvero tutte le analisi eseguite al di fuori del laboratorio di analisi chimico cliniche, quindi decentrate), le potenzialità della tecnologia MEMS in ambito medicale stanno iniziando a venire alla luce. I progetti in via di sviluppo stanno favorendo la diffusione dei dispositivi MEMS nel settore medicale. Tra i numerosi esempi si possono annoverare le lenti a contatto per il monitoraggio dei livelli di glucosio di Google, i sensori a forma di cerotto transdermico per il rilevamento del bilancio elettrolitico, le pillole elettroniche per l’erogazione mirata di farmaci, i dispositivi elettronici impiantabili e i sensori ingeribili.

Anche se si tratta di progetti senza dubbio all’avanguardia, val la pena sottolineare il fatto che è molto difficile introdurre tecnologie nuove e non completamente collaudate nel mercato medicale. I dispositivi bio-medicali più avanzati non solo richiedono attività di sviluppo interdisciplinari condotte da progettisti e da esperti del settore medicale, ma anche esaustivi collaudi e lunghi processi di certificazione al fine di ottenere l’approvazione per l’utilizzo sul mercato.

Fortunatamente, anche sfruttando la tecnologia MEMS attualmente disponibile, è possibile conseguire risultati decisamente interessanti in ambito medicale. Un gran numero di sensori e azionamenti destinati al mercato consumer che sono stati perfezionati nel corso degli anni può essere ora utilizzato nel settore medicale. I sensori di pressione, sebbene siano tra i dispositivi MEMS più semplici al momento disponibili, stanno dimostrando tutta la loro versatilità in campo medicale. Le loro doti di semplicità, facilità di miniaturizzazione e bassi consumi li rendono ideali per una vasta gamma di applicazioni su scala sia micro sia macroscopica in campo medicale. Ad esempio, possono essere utilizzati per misurare la pressione dell’aria espulsa al fine di eseguire diagnosi relative alla funzione respiratoria. Allo stesso modo sensori miniaturizzati possono essere utilizzati in cateteri o tubi endoscopici per monitorare condizioni cardiache o esofagee o persino per salvaguardare la salute dei neonati.

Gli accelerometri sono un’altra tipologia di dispositivi MEMS molto diffusa nell’ambito dell’elettronica consumer ora utilizzata con ottimi risultati nel settore medicale. Oltre a espletare funzionalità legate al monitoraggio della forma fisica, gli accelerometri possono venire impiegati per il monitoraggio dei pazienti (operazione sempre più diffusa a causa del progressivo invecchiamento della popolazione) e nei dispositivi per la rianimazione cardio-polmonare (RCP). Abbinati a un giroscopio per rilevare l’orientamento, essi possono costituire un valido ausilio durante le indagini eseguite tramite endoscopi e cateteri, oltre a fornire un rilevamento avanzato della posizione (utile ad esempio per ottenere informazioni sulla postura e sulla posizione di un paziente al fine di fornire l’impulso elettrico corretto in un pacemaker).

Il futuro dei MEMS

Attraverso la miniaturizzazione resa possibile dall’adozione dei processi di fabbricazione dei semiconduttori, i MEMS sono caratterizzati da prezzi più bassi grazie alla riduzione dei costi del materiale e alla maggiore efficienza tipica delle produzioni di massa. L’impiego dei processi produttivi dei dispositivi a semiconduttore permette di integrare i dispositivi MEMS in un unico chip che include tutte le funzionalità di condizionamento dei segnali richiesti. Un livello di integrazione così spinto, abbinato a un fattore di forma che consente l’impiego di tecnologie a montaggio superficiale (SMT) semplifica notevolmente il processo di integrazione dei dispositivi MEMS. È abbastanza evidente che il settore che in prossimo futuro potrà trarre grandi vantaggi dalla tecnologia MEMS sarà quello medicale. L’elevata miniaturizzazione e il rilevamento estremamente accurato, caratteristiche tipiche dei dispositivi MEMS, ne permettono l’utilizzo in numerose applicazioni medicali già per certi versi sorprendenti, anche se siamo solo nelle fasi iniziali. Sono già numerose le tecnologie MEMS che si stanno affacciando alla ribalta e che potrebbero rivestire una notevole importanza. In un futuro non molto lontano esse potrebbero essere utilizzate per migliorare sia la vita dei pazienti sia l’efficienza dei processi di diagnosi.

 

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