Miniaturizzazione e densità funzionale

I connettori elettrici, nel contesto dell’innovazione dei sistemi elettronici, sempre più orientati alla riduzione delle dimensioni, contenimento dei consumi energetici e aumento della velocità operativa, sia a livello di scheda, sia a livello di circuito integrato, sono una componentistica sempre più soggetta a un costante processo di innovazione e trasformazione che porta a nuovi standard e nuove tecnologie dei materiali costruttivi. I connettori elettrici si caratterizzano per vari aspetti funzionali come la forma, il pinout, le dimensioni, la natura dei contatti, la capacità di isolamento tra i contatti, la resistenza ai vari fattori fisici (pressione, umidità, agenti chimici, ecc.), tempo di vita (numero massimo di connessioni e disconnessioni meccaniche). Solitamente sono meccanicamente polarizzati (chiave), in modo da evitare inserzioni e contatto elettrico inappropriato, tramite scanalature o sagome unidirezionali (tipicamente a trapezio). I connettori elettrici più professionali si distinguono per la presenza di sistemi di bloccaggio (a vite, a baionetta, ecc.) in modo da prevenire la disconnessione per vibrazioni, l’infiltrazione di umidità e di agenti liquidi nebulizzati, polveri, ecc. I dispositivi elettromeccanici attengono a quei sistemi in cui viene svolta una funzione elettrica grazie alla presenza di una parte che esegue un’azione meccanica (chiusura di un contatto, catturare una vibrazione, ecc.). Tali dispositivi sono alla base dell’interazione dei sistemi elettronici con il mondo fisico esterno (relativamente alla dimensione fisica meccanica (movimento, spostamento, velocità, accelerazione, elevazione). Data la natura della componentistica meccanica, di dimensioni altamente superiore (di molti ordini di grandezza) rispetto a quella dell’elettronica, in particolare della microelettronica, tali dispositivi sono stati protagonisti di un’innovazione tecnologica dirompente nota come Mems (Micro electro mechanical systems), cioè di un innovativo processo di produzione che ha consentito di portare la dimensione della meccanica dalla scala centimetrica alla scala micrometrica, con il sorprendente risultato di ottenere dispositivi elettromeccanici come gli accelerometri, i microfoni, i relè, i motori elettrici, gli altimetri, in dimensioni paragonabili a quelle della componentistica microelettronica, cioè di dimensioni millimetriche dotati di simili caratteristiche di produzione (per esempio il package a montaggio superficiale). Data l’importanza delle funzioni di connessione e di funzionalità elettromeccanica nei sistemi elettronici di ultima generazione e considerando che la sfida di tali sistemi si svolge sul piano delle dimensioni oltre che su quello della potenza computazionale, i connettori e i componenti elettromeccanici si stanno evolvendo in accordo con questa tendenza, cioè verso la miniaturizzazione e l’aumento della densità funzionale.

Innovazione nella connessione

L’innovazione ha i suoi limiti solo nella fantasia di chi li produce. Parafrasando una famosa frase di Bo Fowler, l’innovazione è limitata solo dall’immaginazione di chi la produce. Infatti, se si analizza la componente innovativa che ha caratterizzato lo sviluppo dei connettori in questi ultimi anni, è evidente che alcune soluzioni tecnologiche, come ad esempio la connessione magnetica e l’interconnessione tridimensionale del Mid, connotano una forte tendenza all’innovazione. Queste due tecnologie di interconnessione sono state create sulla spinta della crescente complessità geometrica dei sistemi microelettronici di ultima generazione come ad esempio quelli indossabili. Quelli 3D fanno riferimento alla metodologia denominata Mid (Molded Interconnect Device) basata sull’integrazione di natura Pcb della funzionalità del connettore. LPKF ha sviluppato una tecnologia Mid sotto forma di procedura basata sul laser chiamata LPKF-Lds (Laser direct structuring). Grazie a questa tecnologia, la realizzazione di circuiti a livello di connettore è particolarmente efficace ed effettiva grazie alla precisione operativa del laser e i vantaggi che ne derivano sono relativi alla riduzione delle dimensioni, maggiore facilità d’uso e adattabilità alla funzionalità ed operatività del dispositivo finale. I connettori a connessione magnetica rappresentano un’altra intelligente innovazione per ridurre l’impatto della componente meccanica (quella più critica) nell’esecuzione del contatto da connessione, soprattutto nella connettività Usb, sempre più diffusa e in continua evoluzione. Un’innovazione nei connettori, che supera le limitazioni strettamente meccaniche del connettore, è il Magnetically Attached Cable che consente di ottenere una connessione Usb senza azione meccanica di inserimento.

Miniaturizzazione negli elettromeccanici 

I componenti elettromeccanici hanno trovato nella tecnologia Mems la massima potenzialità di innovazione relativamente alla miniaturizzazione. I componenti elettromeccanici sono principalmente di natura analogica, ma grazie alla tecnologia Mems hanno integrato nel tempo sempre più tecnologia digitale, diventando a tutti gli effetti componenti digitali, come per esempio è accaduto per varie tipologie di sensori come i microfoni, gli accelerometri, i sensori di pressione barometrica (altimetri), ecc. Prima della tecnologia Mems i componenti elettromeccanici erano la parte più ingombrante e costosa dei sistemi che li integravano allo scopo di interagire con il mondo fisico esterno nella dimensione meccanica. Le ridotte dimensioni hanno portato anche alla riduzione dei consumi energetici e all’aumento della funzionalità nelle applicazioni. Per esempio, in campo medico i microfoni Mems hanno consentito la realizzazione di applicazioni di protesi acustiche innovative, sia in termini di dimensioni, sia in termini di qualità della percezione uditiva. Il settore delle comunicazioni, soprattutto la telefonia cellulare, ha molto beneficiato della nuova generazione di microfoni per l’implementazione di tecniche innovative di riduzione del rumore e aumento della qualità della comunicazione vocale, in dispositivi telefonici sempre meno costosi e a crescente durata della batteria. I microfoni Mems di STMicroelectronics sono microfoni ad elevata integrazione (integrano tutta la necessaria microelettronica mixed-signal, il frontend analogico quello digitale) che forniscono in uscita il segnale acustico direttamente in formato digitale campionato a frequenze elevate (fino a 48 kHz di campionamento e 16 bit di quantizzazione). Caratteristiche inimmaginabili per la comunicazione vocale telefonica prima della tecnologia Mems. Gli attuatori magnetici sono componenti elettromeccanici che implementati tramite la tecnologia Mems consentono di convertire una corrente elettrica in spostamento, applicando le ben note equazioni della forza di Lorentz, o più in generale le leggi fisiche del magnetismo, per ottenere motori di dimensioni millimetriche e consumi eccezionalmente bassi. Inoltre, sfruttando opportunamente le proprietà magnetostrittive dei materiali (cioè la proprietà di determinati materiali di modificare la propria forma quando sono esposti a campi magnetici, è possibile ottenere il controllo ad elevata precisione di motori e attuatori lineari

L’affidabilità nei relè

I relè hanno rappresentato il caso più emblematico della componentistica elettromeccanica e sono stati alla base dello sviluppo della commutazione e della logica che portò alla realizzazione dei primi calcolatori elettromeccanici. L’importanza del relè è tale che la sua integrazione nell’elettronica dei sistemi è di tale rilevanza che le versioni allo stato solido e quella integrata rappresentano l’aspetto più interessante di innovazione per questo componente. Il relè allo stato solido si caratterizza per l’assenza di contatti meccanici e l’utilizzo di fotoaccoppiatori, caratterizzando il dispositivo per maggiore affidabilità in quanto sono assenti elementi di usura quali i contatti meccanici, e maggiore velocità di funzionamento, in quanto l’ottica è notoriamente più veloce della meccanica. Il relè a circuito integrato è un’altra possibilità che consente di favorire gli aspetti di affidabilità e velocità quando le tensioni e le correnti in gioco sono relativamente piccole.

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