La tecnologia Mems (Micro electro mechanical systems) da diversi anni si è imposta sullo scenario della microelettronica come una tecnologia dirompente in quanto ha portato la dimensione meccanica allo stesso livello di quella microelettronica. I sensori sono stati i primi a trarre vantaggio da questa tecnologia così tanto da elevare i sensori Mems al rango di tecnologia abilitante dell’innovazione tecnologica dei prossimi anni. La tecnologia Mems è stata riconosciuta da tutti come la tecnologia più rivoluzionaria del ventunesimo secolo, in quanto è stata capace di modificare in maniera drammatica i paradigmi di progettazione dei sistemi elettronici e informatici, per le peculiarità uniche di questa tecnologia che hanno portato a livello nanometrico funzionalità elettromeccaniche prima implementabili solo con tecnologie elettrotecniche. Tali peculiarità sono: dimensioni compatibili con quelle della microelettronica, consumi di potenza elettrica ridottissimi, costi bassissimi. Inoltre, date le ridottissime dimensioni, rendono possibili livelli di integrazione di sistema, che portano i dispositivi ad essere funzionalmente omnicomprensivi, cioè dotati delle necessarie funzionalità analogiche e digitali che consentono di integrare in un unico dispositivo tutto quanto serve a interfacciarsi verso il microcontrollore host. L’evoluzione dei Mems è tanto rapida che allo stato dell’arte attuale dalla dimensione micro si sta passando alla dimensione nano per cui si parla già di Nems (Nano electro mechanical systems).
Sensori in tecnologia Mems
I sensori sono stati la prima applicazione pratica della tecnologia Mems, in quanto i più comuni sensori usati nelle applicazioni, soprattutto quelli di automazione, erano di natura elettromeccanica (per esempio sensori di pressione, di movimento, sensori acustici (microfoni), ecc. In particolare i sensori di movimento come i noti accelerometri hanno avuto uno sviluppo enorme in tecnologia Mems, anche grazie a campi applicativi di natura consumer che ne hanno richiesto l’applicazione in grandissimi volumi soprattutto per svolgere funzioni d’utilità come l’inclinometro finalizzato al controllo dell’orientamento dell’immagine sui display degli smartphone. Altri campi applicativi ove i volumi delle applicazioni erano notevoli, per esempio il medicale, il fitness il controllo e monitoraggio dell’ambiente, hanno stimolato lo sviluppo in tecnologia Mems di sensori biometrici, chimici, fisiologici, ecc. (per esempio i sensori ottici per la misura del battito cardiaco, i sensori di gas, i sensori di luce, ecc.). Quasi tutti i principali produttori di circuiti integrati si sono impegnati nello sviluppo di sensori innovativi in tecnologia Mems, aprendo campi applicativi prima inimmaginabili sia in campo industriale, sia in campo medicale e automotive. La componente di innovazione più importante per i sensori Mems è relativa all’integrazione. Negli ultimi anni infatti il livello di integrazione dei sensori Mems è aumentato in maniera esponenziale, con soluzioni di integrazione che hanno portato su un unico dispositivo funzionalità importanti come il microcontrollore, il sottosistema di comunicazione wireless, la memoria, i front end analogici, e tutti i necessari componenti di contorno, rendendo in tal modo il sensore disponibile in un package direttamente integrabile nell’applicazione in maniera economica ed ergonomica.
Sensore di vibrazione con interfaccia Rf
Il sensore di vibrazioni ADIS16229 di Analog Devices è l’esempio più emblematico del processo di innovazione tecnologica che sta caratterizzando i sensori Mems. ADIS16229 è un sensore di vibrazioni wireless dotato di tecnologia di signal processing nel dominio del tempo e della frequenza. Nel dominio del tempo rende disponibile un filtro di decimazione e un set di finestre di condizionamento selezionabili. Nel dominio della frequenza rende disponibile una funzionalità hardware di signal processing (Fft da 512 punti) e allarmi programmabili sui valori dello spettro frequenziale. Sotto questo aspetto è uno dei sensori di vibrazione più innovativi in termini di livello di integrazione. ADIS16229 e ADIS16000 consentono di creare reti di sensori per il monitoraggio delle vibrazioni sia in contesti applicativi industriali, sia civili. La versione ADIS16000 rende disponibile una funzione gateway per la gestione della rete, mentre ADIS16229 realizza un nodo sensore remoto wireless intelligente. L’ADIS16229 combina insieme due assi di un sensore Mems di accelerazione elaborandoli nel dominio del tempo tramite un filtro di decimazione e una serie di funzioni di finestratura selezionabili e nel dominio delle frequenze tramite una algoritmo di trasformata veloce di Fourier a valori reali calcolata su 512 punti di campionamento, e di averaging sui valori di ampiezza. La sezione RF opera da 902.5 MHz a 927.5 MHz con capacità di rivelazione e di correzione d’errore inclusa nel protocollo RF. La potenza d’uscita RF è programmabile. ADIS16000 e ADIS16226 sono incapsulati sotto forma di moduli Multiple Chip Module Laminate in dimensioni abbastanza ridotte. Entrambi sono dotatati di connettore Sma per collegare in maniera semplice l’antenna, disponendo di due fori che semplificano il montaggio. ADIS dispone di un sistema di valutazione Eval-ADIS basato su Pc via Usb. Eval-ADIS rende disponibile un package software per Pc che consente di prototipare in maniera rapida un’applicazione.
Microfoni Mems
I microfoni sono la classe di sensori che maggiormente hanno beneficiato dell’innovazione della tecnologia Mems, relativamente alle dimensioni (dell’ordine di qualche millimetro quadro di superficie), alle prestazioni di risposta in frequenza più ampia e lineare, all’integrazione (uscita completamente digitale e interfaccia digitale compatibile con le Mcu), ecc. Grazie a queste caratteristiche funzionali superiori, i microfoni Mems sono diventati il punto di forza delle applicazioni consumer come lo smartphone, e dei dispositivi audio portabili in generale. In particolare, grazie alla disponibilità dei microfoni Mems e alle ridotte dimensioni che li caratterizzano, sono stati realizzati i primi Array Microfonici a basso costo. I microfoni Mems consistono di due componenti (dual die), un circuito integrato che implementa tutta la necessaria funzionalità di controllo e il sensore di pressione acustica. La tecnologia Mems permette di implementare in modalità micrometrica le parti meccaniche mobili utilizzando come principio di trasduzione sensoriale la variazione capacitiva creata tra la parte fissa e quella che si muove a causa dell’onda acustica che investe il microfono. Il circuito integrato esegue le necessarie funzioni di condizionamento del segnale e conversione analogico/digitale. Entrambi i componenti, circuito integrato e sensore sono incapsulati in un package di dimensioni millimetriche. La realizzazione Mems dei sensori microfonici consente di ottenere dispositivi con prestazioni superiori con caratteristiche uniche come le dimensioni millimetriche, il bassissimo consumo di potenza elettrica, il bassissimo costo, ecc. Tra i parametri acustici che evidenziano i benefici di questa tecnologia sensoriale, la sensibilità, ovvero la capacità del sensore di fornire un output valido per una data pressione acustica di ingresso (1 Pa o 94 dBSPL a 1 kHz), la direzionalità ovvero la variazione della risposta di sensibilità in funzione della direzione di arrivo dell’onda acustica. I microfoni Mems possono essere omnidirezionali, cioè essere indifferenti a qualsiasi variazione della posizione della sorgente acustica nello spazio.
Sensori ambientali
Grazie alla tecnologia Mems è stato possibile realizzare sensori ambientali (di gas, di luminosità, di pressione atmosferica, di umidità, di temperatura, ecc.) di dimensioni e costi estremamente convenienti. In particolare i sensori Mems di gas ambientali consentono di implementare applicazioni di monitoraggio ambientale molto capillare a basso costo. Per esempio l’AS-MLV-P2 è un sensore di componenti gassose in tecnologia Mems realizzato da ams che trova nella tecnologia di rete Internet of Things un importante ambito applicativo per le sue caratteristiche di basso consumo di potenza (34 mW) e la lunga durata (10 anni). I sensori di pressione altimetrica hanno trovato nella implementazione Mems una soluzione che ha consentito la realizzazione di componenti particolarmente piccoli e con caratteristiche funzionali difficilmente ottenibili nelle implementazioni basate sulla tecnologia tradizionale, per esempio la misura assoluta della pressione altimetrica con dispostivi che misurano pochi millimetri di larghezza, lunghezza e spessore, quindi facilmente integrabili in applicazioni come i navigatori e la strumentazione indossabile per le attività sportive. Per esempio il dispositivo MLP3115A2 di Nxp è un sensore di pressione assoluta dotato di interfaccia I2C, per un range di misura compreso tra 20 kPa e 110 kPa, un range che copre qualsiasi dislivello dell’intero pianeta. Il sensore realizzato con la tecnologia Mems e con tecnologia microelettronica per la funzionalità mixed-signal e digitale. Il sensore di pressione è affiancato anche da un sensore di temperatura ambientale e supportato dalla necessaria funzionalità di condizionamento e trattamento del segnale come l’analog front end e il digital signal processing, rendendo particolarmente semplice la sua integrazione con il processore applicativo tramite l’interfaccia digitale I2C. Oltre al campionamento e alla gestione dei flussi di segnale dei sensori è necessaria l’esecuzione di funzioni che accumulano e operano una sintesi dei vari segnali sensoriali in un unico segnale sufficientemente accurato e stabile per poter essere utilizzato in maniera valida dall’applicazione. Il sensor fusion si basa su algoritmi di elaborazione del segnale abbastanza sofisticati come i filtri di Kalman. Questi sono algoritmi matematici computazionalmente intensivi che richiedono Mcu avanzate per poter essere eseguiti in tempo reale.
