Nuove opportunità per i Mems

SENSORI –

Una nuova generazione di sensori Mems ad alto grado di integrazione apre nuove possibilità applicative per funzioni quali rilevamento del movimento e tracciamento della posizione.

Accelerometri,
giroscopi e magnetometri implementati sotto forma di Mems (Micro-Electro-Mechanical
System)
hanno trasformato il funzionamento e l'interfaccia utente di smartphone
e tablet. Grazie a questi dispositivi su scala nanometrica la quotidiana
interazione dei consumatori con i dispositivi consumer a elevate prestazione
risulti sempre più naturale, comoda e produttiva. La produzione dei Mems è ora
un business di vaste proporzioni: STMicroelectronics, per esempio, nel gennaio
di quest'anno ha annunciato la consegna del suo 3miliardesimo dispositivo Mems.
Paradossalmente, la tecnologia Mems è utilizzata in un numero molto limitato di
prodotti finali.
Eppure essa
potrebbe essere sfruttata in misura molto maggiore. Per una più ampia diffusione
non è necessario attendere ulteriori evoluzioni di questa tecnologia o l'introduzione
sul mercato di nuovi dispositivi Mems da parte dei produttori di chip, anche se
ciò si verifica su base regolare. Buona parte degli sviluppi, in ogni caso,
sono destinati a soddisfare i requisiti degli attuali utilizzatori, ovvero i
produttori e smartphone e tablet. La tecnologia Mems attuale è peraltro già
abbastanza interessante: è necessario solamente uno sforzo di immaginazione e
di creatività da parte dei progettisti che lavorano presso gli Oem per scoprire
nuovi utilizzi in prodotti finali diversi da quelli tradizionali. Di seguito vengono
analizzate le risorse di alcuni dei dispositivi Mems più recenti. Una volta
comprese le funzionalità supportate dai Mems, i progettisti possono dar libero
sfogo alla loro immaginazione.

Mems: una tecnologia vincente

L'attenzione che
attualmente la tecnologia Mems è in grado di catturare è imputabile a un
insieme di fattori: i dispositivi sono piccoli, robusti e possono essere
prodotti economicamente in grandi volumi alla stessa stregua dei circuiti
integrati in silicio. Il metodo adottato per la fabbricazione dei
dispositivi Mems consente l'integrazione sul medesimo dispositivo di circuiti
in silicio per il condizionamento e l'elaborazione dei segnali. Comunemente un
sensore Mems viene utilizzato in sostituzione di un sensore elettro-meccanico
tradizionale. Un esempio significativo è rappresentato da un microfono. Un
parametro chiave per la qualità audio di un microfono è il rapporto segnale/rumore.
Un microfono Ecm (Electret Condenser Microphone) - ovvero un microfono a
elettrete, che è un particolare tipo di microfono a condensatore) tradizionale
può eguagliare l'Snr di un microfono Mems solo se ospitato in un un package
caratterizzato da un volume almeno 30 volte superiore. Caratterizzato da una
minore robustezza, il microfono Ecm non è in grado di tollerare il processo di
saldatura a riflusso utilizzato per l'assemblaggio della scheda, mentre con un
microfono Mems è possibile ridurre drasticamente i costi di produzione. Il
processo utilizzato per la fabbricazione dei microfoni Mems, infine, permette
di realizzare dispositivi caratterizzati da una variazione molto inferiore in
termini di risposta in frequenza tra un componente e l'altro rispetto a quanto è
possibile ottenere con i microfoni Ecm. Per i progettisti che stanno
utilizzando i microfoni a elettrete, esistono quindi valide ragioni per
sostituire questi ultimi con microfoni Mems. Le eccellenti caratteristiche in
termini di Snr dei microfoni Mems ne consentono l'uso non solo in applicazioni
consumer, ma anche in campo industriale, dove spesso è richiesta l'eliminazione
del rumore e la sorgente del suono potrebbe trovarsi a una certa distanza dal
microfono. In questo caso i circuiti digitali preposti al miglioramento
acustico potrebbero essere integrati in un dispositivo Mems. Sistemi di allarme
e apparecchiature per videoconferenza sono esempi tipici di applicazioni. Accelerometri,
giroscopi e magnetometri sono le altre principali categorie di sensori Mems
attualmente disponibili. Oggigiorno gli accelerometri Mems sono usati in
sostituzione dei tradizionali sensori per la protezione contro tentativi di
effrazione e vandalismi dei contatori di utenze e dei pannelli di sicurezza. I
commutatori di natura meccanica sono ingombranti e non idonei all'utilizzo dei
progetti odierni, finalizzati alla realizzazione di dispositivi sempre più
miniaturizzati. Oltre a ciò, se inattivi per lunghi periodi, i commutatori
meccanici sono inclini all'ossidazione e alla corrosione, fenomeni questi che ne
compromettono l'utilizzo. Un accelerometro Mems è immune da problemi di questo
tipo. Un accelerometro può misurare un campione di ciascuno dei tre assi e
confrontarlo con i valori di soglia interni. Quando la soglia è superata, è
possibile inviare un interrupt alla Mcu host, attivando un allarme che segnala
un tentativo di effrazione. Ogni sensore di
tipo tradizionale che utilizza una tecnologia di misura di tipo piezoelettrica,
potenziometrica, Lvdt (Linear variable differential transformer)
o a riluttanza variabile potrebbe essere sostituto da un equivalente Mems più
piccolo e robusto.

Dispositivi ad elevata integrazione

Le applicazioni
più interessanti della tecnologia Mems sono basate su dispositivi contraddistinti
da un livello di integrazione particolarmente spinto come quelli realizzati da
produttori quali STMicroelectronics e Freescale. Queste società stanno
abbinando differenti tipi di sensori (come ad esempio accelerometri con
giroscopi) con circuiti per l'elaborazione digitale al fine di realizzare
dispositivi “intelligenti” che possono essere interfacciati in maniera semplice
con un microcontrollore o un processore applicativo. Un'operazione di questo
tipo viene condotta integrando le funzioni in un unico package o riunendo più
package all'interno di un modulo. Naturalmente le uscite separate di un
giroscopio e un accelerometro discreti possono essere combinate dallo
sviluppatore del sistema. Un'operazione di questo tipo può essere eseguita in
maniera molto più semplice se i due dispositivi sono integrati. Questo è
l'obiettivo che ha spinto STMicroelectronics a realizzare LSM330, un sensore di
movimento a 6 gradi di libertà (DoF - Degree-of-Freedom)
che si presenta sotto forma di un system-on-package estremamente compatto. Esso abbina un accelerometro a 3 assi e un giroscopio 3D. Questo
dispositivo integra machine a stati finite sviluppate da ST che implementano
parecchie delle funzioni di elaborazione del segnale che gli Oem potrebbero
richiedere. Tra queste si possono segnalare: caduta
libera, orientazione 4D/6D, conteggio degli impulsi
e riconoscimento del passo, click/doppio click, scuotimento/doppio scuotimento, faccia in su/faccia in giù,
rotazione/doppia rotazione. Il sensore in questione, ospitato in un package di
dimensioni pari a 3x5,5 mm, fornisce queste uscite di misura attraverso
un'interfaccia I2C/Spi. In questo caso, l'integrazione di più
sensori Mems con circuiti Cmos e blocchi IP digitali permette di realizzare in
maniera semplice e veloce funzioni avanzate di rilevazione del movimento all'interno
del progetto di un sistema. Il modulo INEMO-M1 sempre di ST è contraddistinto
da un livello di integrazione ancora più elevato. Esso abbina il giroscopio
digitale a 3 assi L3GD20, il modulo geomagnetico a 6 assi LSM303DLHC (un
magnetometro abbinato a accelerometro a 3 assi) e il microcontrollore Arm
Cortex-M3 STM32F103REY che fornisce un'uscita digitale attraverso una porta I2C.
Il risultato di questa integrazione è un sistema inerziale a 9 gradi di libertà
ospitato in un modulo di dimensioni pari a 13x13 mm.
I sofisticati prodotti finali
che utilizzano questi dispositivi integrati faranno girare un sistema
operativo. ST fornisce il supporto nativo per Windows 8 attraverso i driver del
sensore, Api del sensore e driver dei sensori Hid (Human Interface Device),
così come una piattaforma basata su Windows 8. Il software fornito dall'azienda
supporta il protocollo HID su I2C o Usb. I vantaggi
dell'integrazione possono essere ritrovati in dispositivi prodotti da altri
costruttori. Freescale, per esempio, ha adottato un approccio leggermente
differente per la sua piattaforma per il rilevamento del movimento Xtrinsic. Quest'ultima
rende disponibile un ambiente nel quale gli ingressi provenienti da sensori
esterni possono essere combinati con gli ingressi dei sensori Mems presenti sul
chip. Nel SoC MMA9550, basato sull'architettura di Mcu ColdFire,
Freescale ha abbinato un accelerometro a 3 assi, un convertitore A/D a 14 bit e
un'interfaccia master I2C a 400 kbits/s che fornisce la connessione
a un massimo di 12 sensori addizionali. Uno degli ulteriori vantaggi legati
all'integrazione dei sensori Mems (e di altri sensori) è rappresentato dalla
riduzione dei consumo. Ciò è dovuto al fatto che è possibile condividere un
convertitore A/D, il bus seriale e altre risorse invece di renderle disponibili
separatamente per ogni blocco funzionale del sensore.

Sfruttare le potenzialità dei sensori Mems integrati

Lo sviluppo di dispositivi di
rilevamento di tipo Mems è in gran parte dovuto alla necessità di soddisfare le
esigenze di produttori di smartphone e tablet. Sono comunque iniziati a
emergere esempi di nuovi utilizzi di funzioni quali il rilevamento del moto e
della posizione stimata che dimostrano chiaramente come questi nuovi
dispositivi contribuiscano a stimolare la creatività del progettista.
La navigazione all'interno
degli edifici rappresenta un'interessante opportunità. Il museo di arte
contemporanea di Taipei a Taiwan ha sviluppato un sistema di questo tipo che
gira su dispositivi mobili per guidare i visitatori all'interno dell'edificio.
La posizione stimata fornisce coordinate accurate per individuare la posizione
dell'utilizzatore senza ricorrere ai dati di localizzazione satellitari. Il sistema
visualizza al visitatore le informazioni più importanti e in tempo reale
relative all'opera che si trova di fronte ad esso. La navigazione degli utenti
all'interno degli edifici può essere ulteriormente affinata con l'aggiunta di
sensori di pressione Mems in grado di completare con ulteriori informazioni la
funzione di dead reckoning. Utilizzando un barometro Mems ad alta risoluzione,
interfacciato ad esempio con il componente MMA9550 di Freescale, è possibile
calcolare l'altezza con una precisione <±0.25 m. Un esempio di una
potenziale applicazione di questa tecnologia è rappresentato dalla
localizzazione di pazienti o apparecchiature negli ospedali. In ogni caso
ciascun Oem avrà idee abbastanza precise circa l'utilizzo delle funzionalità di
localizzazione di precisione e rilevamento dell'altezza nei propri prodotti
finali. La tecnologia Mems ha quindi consentito di abbinare elementi di
rilevamento e circuiti di elaborazione, ampliando in tal modo in maniera
notevole le risorse funzionali disponibili, nonché di integrare in maniera
molto semplice un microcontrollore host. I team di progettazione possono quindi
aggiungere in maniera relativamente semplice e in poco tempo funzionalità e
valore ai prodotti finali sfruttando modalità innovative grazie a questi
system-on-package o moduli di nuova generazione realizzati dai costruttori di Mems.

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