Sensori e Mems: le opportunità del futuro

SENSORI & MEMS –

Sensori e Mems sono tecnologie ormai mature per essere considerate come parte integrante di sistemi microelettronici embedded a elevato livello di integrazione come i system-on-chip.

L'evoluzione delle applicazioni di natura elettronica, sia industriale che consumer, si sta orientando soprattutto verso la natura embedded, quindi verso soluzioni a basso costo, di piccole dimensioni, alimentate a batteria e multifunzionali. Questo tipo di soluzione richiede un nuovo modello di interfaccia tra uomo e dispositivo elettronico, che ovviamente sia molto più vicino al modello di comunicazione umano che a quello della macchina. Questa esigenza non viene tanto da una ovvia aspirazione a portare la macchina sul piano della comunicazione umana, quanto dalla necessità di compatibilità con la forte spinta alla miniaturizzazione relazionata al sempre più elevato livello di complessità dell'informazione trattata e presentata da tali applicazioni (multimedialità).

In questo scenario di innovazione tecnologica delle applicazioni microelettroniche, sensori e attuatori svolgono un ruolo di grandissima importanza in quanto componenti fondamentali per collegare la natura fisica dell'informazione con quella astratta rappresentata in forma logica nella macchina. I microsistemi sono la risposta tecnologica a questa esigenza di innovazione. I microsistemi sono il frutto di una ricerca che è iniziata negli anni sessanta nei laboratori e poi si è trasferita nell'industria. Oggi, dopo quattro decenni, ogni giorno interagiamo, senza accorgercene, con i prodotti di questa tecnologia. Dispositivi Mems, come accelerometri e giroscopi, hanno molte applicazioni, sia consolidate sia emergenti, in tutti i settori dell'elettronica; sensori di pressione si applicano nel settore dell'auto e si affacciano a quello dell'elettronica di consumo, sono diffusi nel settore delle testine di stampanti, dominano il settore dei microspecchi per l'applicazione nei videoproiettori, ecc.

Sensori innovativi

La sensoristica, dopo anni di sviluppo strettamente legato al mondo dell'automazione, ha assunto, negli ultimi anni, il ruolo di tecnologia di innovazione per un'ampia gamma di applicazioni di natura anche molto differente dall'automazione. Il mondo delle comunicazioni e il settore consumer in generale sono per esempio ambiti applicativi che stanno traendo interessanti motivi di innovazione da questi dispositivi. Le nuove tecnologie elettroniche e microelettroniche hanno permesso di ottenere sensori non solo più efficienti, ma anche più versatili e miniaturizzati che in passato. L'evoluzione della tecnologia dei sensori è stata molto rapida negli ultimi vent'anni, ma è solo in questi ultimi anni che sono state messe in campo le tecnologie più innovative. La tendenza ormai sempre più marcata alla realizzazione embedded delle applicazioni ha spinto la ricerca in ambito accademico e industriale a mettere in campo soluzioni innovative in ambito sensoriale. I sensori intelligenti sono, insieme a quelli basati sulla tecnologia Mems, i più interessanti in quanto, oltre a migliorare le prestazioni, estendono considerevolmente il campo applicativo.

Oltre alle metodologie classiche (a conteggio, indirette, a interpolazione, ecc.), le tecniche avanzate di sensoristica, in particolare quelle cosiddette auto-adattative, consentono di realizzare applicazioni con interfacce verso il mondo fisico capaci di supportare condizioni funzionali particolarmente difficili, senza incidere significativamente sui costi e le dimensioni dell'applicazione finale. Un'altra tecnologia molto interessante per la sensoristica è quella RF o wireless. Una di queste soluzioni si basa sulle onde acustiche superficiali. Questi dispositivi, oltre a essere in grado di identificarsi trasmettendo un numero (ID number), sono in grado di trasferire le misure fisiche (temperatura, pressione, umidità, accelerazione, ecc.), senza richiedere alimentazione. Il sensore consiste di un transponder Saw (Surface acoustic waves) e di un radio transceiver. Il transceiver del Saw riceve un burst RF e risponde in modalità passiva con un segnale RF. Il modo con cui risponde il sensore Saw (ampiezza, frequenza, fase e ritardo) è direttamente correlato alla misura eseguita nel momento in cui viene interrogato.

Un altro aspetto di innovazione nella sensoristica è la gestione in rete (networking). In particolare, la gestione in rete wireless è all'attenzione dei produttori di sensori e di microcontrollori, in quanto entrambi questi dispositivi necessitano di integrare al loro interno questa funzionalità che consente un ampio utilizzo della sensoristica in ambiti sia industriali che consumer. ZigBee è la tecnologia di networking su cui i produttori di sensori sono attualmente concentrati, essendo questa basata sul nuovo standard IEEE 802.15.4

Una micromacchina intelligente

Dopo 20 anni di sviluppo all'interno dei laboratori di ricerca universitari e industriali, relegati per anni in campi applicativi di nicchia, ora, i Mems (Micro Electro Mechanical Systems) insieme ai sensori di nuova generazione, rappresentano il perfetto complemento alla funzionalità di sistema, sempre più di natura embedded e vicina alla modalità operativa dell'utilizzatore.
La tecnologia Mems consente di integrare, in un unico componente, elementi meccanici assieme ai circuiti elettronici per il controllo e l'elaborazione del segnale. Sfruttando le eccellenti proprietà fisiche del silicio (più robusto, con caratteristiche termiche migliori e un peso specifico pari ad un terzo di quello dell'acciaio) è possibile realizzare microsensori per la rilevazione di grandezze meccaniche: pressione, vibrazioni, accelerazione lineare e angolare, e così via oltre a microattuatori di varia natura. Il silicio inoltre implementa le funzioni che trasformano queste grandezze in dati analogici o digitali facilmente interpretabili da un sistema elettronico complesso. Il tutto in un solo dispositivo alloggiato in un package minuscolo: una micromacchina intelligente e completa.

I dispositivi Mems hanno raggiunto ormai la maturità tecnologica necessaria a giustificare molteplici applicazioni, di cui molte emergenti e innovative in tutti gli ambiti dell'elettronica. La tecnologia Mems permette di sfruttare contemporaneamente le proprietà elettriche e meccaniche del silicio e conseguentemente viene sempre più spesso adottata in una vasta gamma di applicazioni di elettronica di consumo, oltre alle ormai consolidate applicazioni informatiche, industriali e automotive. Misurare o individuare il movimento (vibrazione, inclinazione, accelerazione) consente di realizzare dispositivi più facili da usare e di dotare applicazioni, come per esempio i giochi elettronici, di nuovi livelli di realismo e interazione.
La recente espansione delle applicazioni basate sui Mems è stata motivata soprattutto dal fatto che il costo dei sensori Mems è calato, anche grazie al passaggio alla produzione su fette di silicio a 8 pollici. Nel settore dell'elettronica di consumo i sensori Mems consentono di realizzare interfacce uomo-macchina più intuitive e user-friendly. Queste possibilità, applicate a prodotti di natura consumer come i telecomandi dei giochi o i telefoni cellulari, i lettori MP3 e i computer palmari, consentono di ottenere funzionalità di controllo e interazione prima inimmaginabili, in dispositivi a basso costo e di natura deeply embedded.

Potenzialità e applicazioni

Le potenzialità d'innovazione tecnologica offerte dai Mems non solo permettono di ottenere prodotti di nuova concezione, ma anche di mettere in pratica modelli di interazione tra la macchina e l'utilizzatore che fino a ora hanno trovato soluzione solo in tecnologie computazionalmente intensive, come il riconoscimento vocale. Gli accelerometri Mems, per esempio, permettono di interagire con la macchina attraverso il movimento in maniera molto efficace e intuitiva e senza eccessivo carico computazionale per il sistema.

I sensori Mems sono utilizzati anche nelle macchine fotografiche digitali per compensare e stabilizzare i movimenti non voluti mentre si scattano le foto. Nel mercato emergente dei giocattoli gli accelerometri e i giroscopi avvertono i movimenti in modo che il giocattolo conosca la sua posizione nello spazio e quindi agisca di conseguenza. In applicazioni a maggiore valore aggiunto, come quello informatico, i sensori Mems aiutano a proteggere l'integrità dei dati nei laptop computer dove in caso di caduta libera o altro movimento anormale, un sensore Mems dà prontamente al sistema l'ordine di fermare le operazioni di lettura e scrittura su disco fisso, e di spostare la testina magnetica che legge l'hard disk in posizione tale da non danneggiare la superficie di memorizzazione. Nel campo automobilistico, i sensori Mems hanno molte applicazioni, fra cui i sensori degli airbag, gli allarmi antifurto e i sistemi di navigazione. In quest'ultimo caso, sono usati nei sistemi di navigazione assistita in cui il monitoraggio del movimento e della distanza percorsa è utilizzato per mantenere letture corrette di posizionamento nel caso di assenza temporanea del segnale GPS. Nel settore industriale, gli accelerometri sono impegnati per individuare le vibrazioni negli elettrodomestici, come lavatrici, lavastoviglie e altri nuovi elettrodomestici in modo da avvisare gli utenti di carichi sbilanciati e individuare l'usura eccessiva di parti meccaniche prima che si verifichi un malfunzionamento. Per i sistemi di sicurezza le applicazioni riguardano gli antifurto basati su accelerometri Mems, per esempio per proteggere automobili, valigette, laptop computer e qualsiasi dispositivo che possono essere sottratti al proprietario tramite spostamento.

Grandi vantaggi, ma anche problematiche

Microensori e Mems, e in particolare i microsensori Mems, offrono numerosissimi vantaggi nel processo di progettazione, ma allo stesso tempo evidenziano alcune problematiche applicative strettamente legate alla loro recente introduzione nel mercato dell'elettronica. Sensori e Mems sono dispositivi analogici che trattano segnali. Questi, in versione integrata, evidenziano i problemi tipici dei sistemi analogici per il trattamento (amplificazione, filtraggio, conversione corrente-tensione, ecc.) di piccoli segnali (rumore, distorsioni, ecc.). Infatti, mentre per i sistemi digitali la miniaturizzazione non pone problematiche particolarmente severe per i segnali (discreti), per i sistemi analogici in scala microelettronica la differenza di livello tra i segnali e il rumore è minima se comparata a quelli in scala discreta. Inoltre, il processo produttivo (montaggio dei componenti, assemblaggio, ecc.) può portare al degrado delle prestazioni del dispositivo sensore o Mems, per esempio per stress termico dei componenti elettronici per il condizionamento del segnale.

I problemi non sono solo a livello di produzione e di integrazione con altre tecnologie elettroniche, ma anche a livello di progettazione. Nella maggior parte dei sistemi di progettazione assistita da calcolatore, componenti come i sensori e i Mems non fanno parte dei componenti messi a disposizione per progettare. Ciò significa che sensori e Mems non possono entrare nel ciclo di progettazione, in particolare nella modellazione e nella simulazione.
Ambienti di sviluppo specifici per i Mems sono già disponibili, per esempio Memx rende disponibile un ambiente di sviluppo che consente di progettare il dispositivo Mems in maniera completamente assistita da calcolatore, stratificando layer a 2 dimensioni in modo da creare strutture a 3 dimensioni. La disponibilità di una libreria di funzioni che possono essere montate graficamente nella struttura a 2D-3D con modalità cut & paste, consente di ottenere rapidamente un dispositivo Mems simulabile prima della sua realizzazione fisica, garantendo in tal modo un'elevatissima affidabilità.
Oltre alla necessità di disporre di sistemi Cad per assistere il progettista nella modellazione e realizzazione del componente Mems, è anche necessario per il progettista disporre di un ambiente integrato di progettazione elettronica che includa anche i Mems nel ciclo di sviluppo. Analog Devices, per esempio, relativamente ai suoi accelerometri (iMems) rende disponibili sul suo sito i file integrabili nell'ambiente di modellazione e simulazione Matlab/Simulink di The MathWorks. Grazie a questi file, lo sviluppatore che utilizza questo Eda per progettare le sue applicazioni, può integrare nel modello sensori e Mems e trarre vantaggio pienamente dalla metodologia system-level design.

Le tecnologie per i Mems

Varie sono le tecnologie per la realizzazione dei dispositivi Mems. La tecnologia bulk micromachining è stata la prima ad essere disponibile per la realizzazione di questi dispositivi su silicio ed è stata utilizzata soprattutto per produrre sensori di pressione ad elevate prestazioni e accelerometri. Il processo produttivo utilizza il silicio del wafer per realizzare la struttura del micro meccanismo in tutto il suo spessore, ottenendo in tal modo strutture tridimensionali. La parte di silicio che eccede rispetto alla struttura del dispositivo micromeccanico viene eliminata. La "scultura" sul silicio viene eseguita per mezzo di pattern di luce. Attualmente i sensori di pressione vengono realizzati quasi tutti con questa tecnologia, in quanto uno dei maggiori vantaggi che ne derivano nel processo produttivo è la ripetibilità molto elevata. Un campo applicativo molto importante è quello automotive, ma anche altri settori beneficiano dei vantaggi di questa tecnologia, per esempio quello medicale. La tecnologia surface micromachining, a differenza della tecnologia bulk micromachining che incide il wafer, permette di creare i dispositivi stratificando livelli.

Per ottenere le parti mobili tipiche dei dispositivi microelettromeccanici, i livelli stratificati sono alternativamente film sottili di materiale strutturale (silicio) e film sottili di materiale di adattamento (diossido di silicio). L'accoppiamento degli strati realizza le parti meccaniche muovibili. Il materiale di adattamento serve a creare i necessari spazi di movimento delle parti meccaniche, quindi vengono rimossi alla fine del processo di fabbricazione, lasciando in tal modo libere le parti di muoversi. La tecnologia surface micromachining richiede un maggior numero di passi di lavorazione rispetto alla tecnologia bulk micromachining, quindi è più costosa. Ovviamente, il suo impiego è giustificato quando la complessità strutturale del micromeccanismo è elevata. Altre tecnologie sono la Liga, che utilizza la litografia a raggi x ed è relativamente costosa, e la Deep Reactive Ion Etching, simile alla bulk bicromachining, che utilizza però un incisore di natura chimica.

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