Sensoristica Mems per i sistemi del futuro

MEMS & SENSORI –

I sistemi embedded diventano sempre più piccoli e sempre più interattivi con il mondo fisico e i sensori assumono il ruolo di tecnologia abilitante. La tecnologia Mems consentirà ai sistemi embedded di integrare una grande di quantità di sensori in dimensioni molto ridotte e consumi limitatissimi.

La tecnologia Mems (Micro Electro-Mechanical Systems) ha raggiunto livelli di integrazione tali da soddisfare tutti i principali requisiti di sviluppo dei sistemi embedded. Le più importanti funzioni sensoriali sono ormai disponibili in tecnologia Mems: interfaccia audio, navigazione e sensing ambientale, interfaccia tattile, sensing infrarosso, harvesting, interfaccia visuale, comunicazione. Grazie anche alla tecnologia dei system-on-chip, i Mems integrano il sottosistema di digitalizzazione del segnale (mixed-signal) che implementa in maniera ottimale sia la conversione analogico/digitale e digitale/analogico, sia la parte di condizionamento del segnale necessaria per ottenere una qualità di sensing ottimale. I Mems digitali riducono in tal modo la complessità dello svilupppo del sistema embedded consentendo in tal modo allo sviluppatore di concentrarsi sugli aspetti più specificamente applicativi e di proprietà intellettuale. La tecnologia Mems, soprattutto quella relativa alla sensoristica, rappresenta la più importante innovazione tecnologica per la realizzazione dei sistemi embedded di prossima generazione. Combinati con gli attuatori, i sensori Mems permettono di realizzare applicazioni che con i componenti funzionalmente equivalenti in tecnologia tradizionale implicherebbero dimensioni, costi e prestazioni non adeguate alle esigenze applicative.
La peculiarità della tecnologia Mems sta nella natura ibrida (elettronica e meccanica) dei dispositivi integrabili in scala micro e nano metrica. La tecnologia Mems è in continua e rapida evoluzione, e in molte applicazioni, è da tempo passata dalla fase di sperimentazione a quella di produzione, invadendo in maniera pervasiva settori applicativi come quello consumer (per esempio gli smartphone) e quello industriale di massa (come l'automotive). I sensori sono parte integrante dei sistemi embedded e proprio grazie alla tecnologia Mems questi vengono integrati in tali sistemi sia a livello omogeneo (array di sensori, network di sensori, ecc.), sia a livello eterogeneo (sensor platform, sensor hub, sensor fusion, ecc.). La complessità funzionale dei sistemi bastati su sensori multipli cresce in maniera esponenziale, ma è proprio la natura system-on-chip della tecnologia Mems a offrire soluzioni che permettono di ottenere funzionalità di sensing di altissimo livello, integrando insieme al sensore anche la logica inferenziale (data fusion).

Sensing, data fusion e decision fusion

Il sensor data fusion è una metodologia di integrazione delle informazioni multisensoriali che, se integrata nel sensore o nella piattaforma sensoriale, consente di ottenere informazioni di alto livello dal mondo fisico esterno e quaindi più facilmente elaborabili dal sistema di controllo. La fusione delle informazioni può avvenrire sia a livello fisico, sia a livello logico, sia in entrambe le modalità, ottenendo in tal modo informazioni sensoriali di sintesi particolarmente affidabili. Grazie alla tecnologia Mems è possibile integrare numerosi sensori su schede di piccolissime dimensioni (dell'ordine di pochi centimetri quadrati) o su singolo chip (tecnologia system-on-chip), e insieme ai sensori è possibile integrare anche sofisticati microcontrollori capaci di eseguire gli algoritmi di data fusion (in genere basati sul modello di filtraggio Kalman) e la logica decisionale. Un esempio di integrazione di sensori sotto forma di singolo modulo è la piattaforma sensoriale a 12 gradi di libertà di Freescale Xtrinsic, una piattaforma sensoriale completa (accelerometro, giroscopio, magnetometro, luce ambiente, altimetro/barometro, temperatura) con un potente microcontrollore ColdFire+ per l'esecuzione degli algoritmi di fata fusion.

Sensing audio

Il sensing delle informazioni audio, soprattutto nei sistemi embedded, sta assumendo un'importanza strategica dato che il suono, oltre ad essere mezzo di comunicazione vocale, è anche utilizzato per l'identificazione biometrica e per l'interfaccia naturale (riconoscimento e sentesi del parlato) e per l'interazione uomo-macchina in generale. I microfoni Mems rappresentano quindi la soluzione ideale alle problematiche di embedding dell'audio nei sistemi di nuova generazione, sia per il livello di miniaturizzazione raggiunto, sia per il livello di integrazione. I microfoni Mems, a uscita digitale, sono di piccolissime dimensioni (dell'ordine del millimetro) e quindi assemblabili in configurazioni multiple (array) che consentono di implementare sofisticati algoritmi per il miglioramento della qualità del segnale (noise reduction, echo removing, beamforming, ecc.). Anche gli altoparlanti in tecnologia Mems sono un'importante innovazione nei sistemi embedded in quanto, insieme al microfono, realizzano una completa intefaccia verso il mondo esterno sia per la comunicazione, sia per l'interazione. Il microfono MP34DB01 di STMicroelectronics è un sensore audio omnidirezionale in tecnologia Mems che misura 3x4x1 mm, è a bassissimo consumo (singola alimentazione) e 62,6 dB di rapporto segnale/rumore. Integra l'elettronica di digitalizzazione del segnale e fornisce in uscita il segnale audio in forma digitale Pdm su un'uscita a singolo bit che facilita la configurazione multi microfonica (stereo e array). L'elemento sensoriale del microfono Mems di ST è realizzato con un dispositivo capacitivo sensibile alle onde acustiche e realizzato con processo silicon micromachine specifico per i sensori audio. Grazie all'utilizzo della tecnologia Cmos, il sensore microfonico implementa la necessaria circuiteria di elaborazione digitale del segnale per ottenere il formato Pdm in uscita.

Navigazione e sensing ambientale

La navigazione e il sensing ambientale sono due funzionalità innovative dei sistemi embedded che consentono a questi di interagire con l'ambiente esterno in maniera automatica e non assistita dall'uomo. Sensori di pressione assoluta, sensori inerziali, sensori Rf, sensori di luminosità, sensori di tempreatura, sensori di prossimità, microcamere, sono alla base delle applicazioni di navigazione outdoor e indoor di nuova generazione e di monitoraggio dell'ambiente esterno per il contestual sensing. Grazie al livello di integrazione il dispositivo integra anche una Rom in cui sono memorizzati i dati di compensazione che un microcontrollore esterno può utilizzare per eseguire per calibrare il dispositivo. Le dimensioni del package sono di ordine millimetrico (5 x 3 x 1.2 mm). Oltre alla pressione il dispositivo misura la temperatura (anche questa fornita in modalità digitale in uscita). La misura di pressione assoluta varia da 50 kPa a 115 kPa, con un'accuratezza di 1 kPa.
I sensori di pressione barometrica/altimetrica rappresentano un'importantissima innovazione sia nelle applicazioni di monitoraggio ambientale, sia in quelle di navigazione outdoor e indoor. Il sensore di pressione altimetrica di Freescale MPL115A rappresenta un'innovazione, in quanto oltre alla tecnologia Mems implementa la modalità assoluta. L'uscita è digitale (Spi o I2C) in quanto la conversione analogico digitale è on-chip oltre all'elettronica di condizionamento del segnale. Le reti di sensori rappresentano una delle applicazioni emergenti in molti campi (monitoraggio della salute, monitoraggio dell'ambiente, monitoraggio degli impianti, ecc.), anche se uno dei principali aspetti di sfida tecnologica rimane il problema dell'alimentazione. I dispositivi ADIS1600 e ADIS 16229 di Analog Devices sono particolarmente innovativi perché oltre al sensore integrano l'interfaccia wireless, consentendo in tal modo di realizzare applicazioni di monitoraggio ambientale con configurazioni di rete senza cablaggi. L'ADIS16000 mette a disposizione le funzioni di gateway che consentono di gestire la rete, mentre l'ADIS 16229 mette a disposizione le funzioni di sensing remoto single-point. Il sistema wireless è un 902.5-927.5 MHz con clear channel assesment, packet collision avoidance, error detection/correction e potenza Rf di uscita programmabile.

Sensing gestuale
Il sensing gestuale nei sistemi ambedded diventa sempre più importante man mano che le applicazioni richiedono livelli di interazione con l'uomo sempre più naturali e senza attenzione da parte di questo. Ciò implica la cattura di segnali di natura comportamentale (per esempio i gesti volontari e involontari) allo scopo di derivare informazioni sia per la comunicazione e l'interfaccia verso il sistema, sia di natura identificativa e di sicurezza. I sensori inerziali offrono molte possibilità applicative a costi estremamente limitati, sia di natura economica, sia di sistema, soprattutto quando la tecnologia di base è qualla Mems. Il sensore di orientamento/movimento digitale a 3 assi MMA7660FC di Freescale consente, oltre alla rilevazione del movimento e dell'orientamento, anche il riconoscimento di gesti in termini di variazioni dei dati di sensing segnalate attraverso una modaltità di interruzione asincrona (pin di interrupt). Il dispositivo è un sensore Mems capacitrivo dotato di filtro passa basso, di compensazione dell'offset per il riferimento 0g e degli errori di guadagno. L'elettronica mixed-signal per il condizionamento del segnale e la conversione analogico-digitale è on-chip e le informazioni sono rese disponibili in formato digitale su un'interfaccia I2C. Le dimensioni sono estremamente ridotte (3 x 3 x 0.9 mm) e i consumi di potenza elettrica sono ridottissimi, solo 0,4 microAmpere in Off Mode e 2 microAmpere in Active Mode. Il campionamento del segnale è programmabile da 1 a 120 campioni al secondo, rendendo in tal modo il sistema altamente integrabile in sistemi embedded particolarmente miniaturizzati e con requisiti di cosnumo di potenza molto stringenti.

Sensing infrarosso

I sensori infrarosso (termici) in tecnologia Mems offrono nuove possibilità applicative rispetto ai tradizionali sistemi di misura termica tradizionale, per esempio la misurazione senza contatto della temperatura dei corpi e degli ambienti con strumenti di misura ultraminiaturizzati. Il dispositivo Mems infrared sensor D6T di Omron per esempio è ideale per la rilevazione della presenza di persone e di oggetti stazionari difficili da rivelare con le tecnologie tradizionali. Il sensore D6T misura la temperatura come segnale associato ad una specifica cella (1x 8 = 8 oppure 4x4 = 16) capace di misurare le variazioni di temperatura di una specifica arae monitorata e di consenguenza consentire l'attuazione di strategie di correzione dell'ambiente di in termini di controllo (per esempio spegnimento delle luci, regolazione del termostato, ecc.), sia di sicurezza (attivazione allarmi).
La presenza umana nell'ambiente può essere rilevata non solo in termini stazionari, ma anche in termini dinamici, elaborando in maniera opportuna le variazioni di temperatura. Il vantaggio del sensing termico del D6T è sia per la modalità di misura, sia per la miniaturizzazione offerta dalla tecnologia Mems che rende le applicazioni non invasive e molto efficenti, rispetto alla tradizionale tecnologia delle telecamere CCTV, in applicazioni come la sucurezza e il monitoraggio dei pazienti.

Mems harvesting

La capacità dei sistemi di alimentarsi in maniera embedded è una delle più importanti sfide di innovazione su cui si stanno misurando sia gli sviluppatori di componenti, sia gli sviluppatori di sistemi. I sensori Mems svolgeranno un ruolo chiave nell'offrire soluzioni che potranno consentire applicazioni di successo con capacità di alimentarsi in maniera illimitata e indipendente. Una delle modalità di harvesting più promettenti trova nella tecnologia Mems la soluzione più efficiente: la trasformazione di energia meccanica in energia elettrica. Le vibrazioni sono un'ottima fonte di energia meccanica da trasformare in energia elettrica sufficiente ad alimentare dispositivi ultra low-power come i dispositivi embedded di ultima generazione. I sensori Mems di vibrazione sono in grado di catturare l'energia delle vibrazioni meccaniche e di renderla disponibilie ai sistemi di accumuolo dell'energia come le batterie e i supercapacitori. Il Digital Tri-axial Vibration Sensor ADIS16223 di Analog Devices è un Mems sensore di vibrazioni a interfaccia digitale con un range di ±70g, a larga banda e 22 kHz di risonanza (risposta piatta fino a 10 kHz). Dispone di filtri digitali programmabili per la riduzione del rumore e di funzioni di cattura (3 canali con 1024 campioni ciascuno). L'interfaccia digitale è compatibile Spi e le dimensioni del package sono 15 x 15 x 15 mm con interfaccia a connettore flessibile.
Lumedyne Technologies è riuscita a estrarre 40 mW/cc per g di accelerazione utilizzando un approccio elettromagnetico all'estrazione dell'energia dalle vibrazioni. Anche dal calore è possibile estrarre energia elettrica utile all'alimentazione di dispositivi elettronici, come per esempio ha dimostrato Nextreme con una potenza elettrica di 16 mW derivata da un potenziale termico di 70 °C tra parte fredda e parte calda dei lati di un dispositivo.

Comunicazione Rf

La comunicazione, soprattutto quella Rf, trova nella tecnologia Mems una componente di innovazione di grande portata, considerando le problematiche di embedding che la funzionalità Rf comporta nelle applicazioni sia portatili che indossabili. Le potenziali applicazioni dei Mems Rf sono molteplici, tra cui quelle di massa come la telefonia cellulare e i prodotti di consumo elettronici, l'automotive (radar anticollisione e antenne da tetto) e le infrastrutture di telecomunicazione.
Un singolo componente Rf Mems è in grado di sostituire decine di componenti attualmente utilizzati nei sistemi radio convenzionali. Grazie al livello di integrazione della tecnologia Mems è possibile arrivare alla realizzazione dell'intero sistema radio sun un singolo chip in modalità system-on-chip. Le potenzialità applicative dei Mems Rf sono enormi, tanto che rappresentano quasi il 50% dell'intera prospettiva di crescita del mercato dei Mems, comprensivo di importanti dispositivi sensoriali come gli accelerometri e giroscopi. Il componente Mems fondamentale per portare tutta la componentistica Rf su un singolo chip è l'antenna sintonizzabile. Diversi sono i produttori di circuiti integrati che sono impegnati in quest'area applicativa della tecnologia Mems, tra cui Ibm e Infineon. Una tecnologia di base per questa soluzione sono gli array di condensatori e di interruttori Rf. WiSpry è riuscita a integrare gli Rf Mems su strutture attive di silicio Cmos arrivando alla piena integrazione monolitica di un single-chip transceiver. I componenti Rf basati su Mems migliorano fino a 6 dB le prestazioni e allo stesso tempo riducono i consumi dal 30 al 40%, fattori questi particolarmente importanti per sistemi embedded come i telefoni cellulari, avendo tali fattori un'incidenza significativa anche sui tempi di sviluppo e sui costi finali del prodotto. L'approccio innovativo di WySpry ha portato alla creazione di reti di Rf-capacitor in tecnologia Mems controllabili in modo digitale via software, cioè software-sintonizzabili.

Biosensori Mems

La tecnologia Mems, grazie alle caratteristiche di integrazione nanometrica, rappresenta una delle più promettenti soluzioni tecnologiche nelle applicazioni di medicina e di cura della salute in generale, un settore quest'ultimo sempre più rilevante in conseguenza dell'ormai inarrestabile invecchiamento della popolazione mondiale. Dopo anni di sperimentazioni e ricerche, i biosensori Mems stanno passando alla fase di componenti e potenziali prodotti disponibili in volumi.
Sandia National Laboratories, un ente governativo statunitense, ha sviluppato molte tecnologie innovative basate su Mems, tra cui la retina artificiale, cioè, l'elemento fondamentale per aiutare chi soffre di disturbi degenerativi della retina. Sandia ha sviluppato una retina bio-elettronica impiantabile utilizzando un circuito application-specific capace di convertire le immagini digitali catturate dal sensore in segnali elettrici compatibili con il sistema nervoso della visione, al fine di creare artificialmente un'immagine percepibile e interpretabile del mondo esterno. La tecnologia sviluppata da Sandia è quella Mems e dei sistemi ad elevata tensione per la progettazione di retine artificiali impiantabili, inclusi i necessari microtool, il packaging elettronico e la tecnologia Asic.

SiGe Mems

I Silicon Germanium Mems rappresentano un ulteriore sviluppo dove i Mems vengono processati dopo e sopra i circuiti Cmos, consentendo l'integrazione monolotica della funzionalitù Cmos con quella Mems. Oltre questo importante vantaggio di integrazione con la tecnologia Cmos, altri vantaggi sono un miglior rapporto segnale/rumore, minori dimensioni del die e del package, un minore consumo di potenza. Un esempio dei risultati applicativi della tecnologia SiGeMems sono gli array di microspecchi da 11 megapixel realizzato da Imec. Ogni micrspecchio dell'array misura 8 micrometri x 8 micrometri e può essere mosso individulamente da un circuito Cmos integrato nell'array. L'array di specchi misura 10 cm2 con una conseguente densità di pixel estremamente elevata. La durata di questi microspecchi mobili è stata validata a 1012 cicli meccanici. La tecnologia Mems dei microspecchi è alla base della realizzazione dei picoproiettori, ma ancora più importante è la possibilità di controllo dell'ottica delle nanocamere. Le lenti intelligenti vengono realizzati con una configurazione polare dell'array di microspecchi, ottenendo in tal modo risultati eccezionali in termini di dimensioni e di peso.

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