Negli ultimi anni abbiamo assistito ad una autentica rivoluzione nel mondo dei sensori Mems. Tablet, smartphone, consolle per videogiochi, videocamere e macchine fotografiche hanno tutte tratto beneficio, in termini di prestazioni e funzionalità aggiuntive, dall'uso di accelerometri e giroscopi. Un'altra famiglia di sensori Mems di recente introduzione che ha immediatamente riscontrato i favori del mercato è quella dei microfoni. Questi dispositivi, grazie a prestazioni superiori rispetto ai tradizionali microfoni a capsula a elettrete, facilitano l'implementazione di algoritmi per la cancellazione dell'eco, la riduzione del rumore e la direzionalità (beam forming), oltre a semplificare il processo produttivo in quanto non richiedono procedure di montaggio dedicate. La fortuna dei sensori Mems è legata alla loro capacità di misurare il movimento. Ricordiamo che un accelerometro, cosi come suggerisce il nome, misura delle accelerazioni lineari e, come è noto dalle leggi della fisica, integrando l'accelerazione è possibile risalire alla velocità e successivamente alla posizione. Pertanto l'accelerometro può essere usato per la misura degli spostamenti lineari. I sensori inerziali sono in grado di misurare sia accelerazioni statiche che dinamiche. Questo vuol dire che un accelerometro è in grado di rilevare l'accelerazione di gravità ed essere pertanto utilizzato per stabilire l'orientazione nel campo gravitazionale. Il giroscopio invece è sensibile ai moti rotatori e misura la velocità angolare. Anche in questo caso, integrando la velocità angolare si può risalire all'angolo descritto. Usando una combinazione di accelerometri e giroscopi è così possibile rilevare un movimento rototraslazionale vario.
L'importanza dei bassi consumi
Le applicazioni consumer, oltre alle normali prestazioni legate alla funzionalità del sensore, richiedono un basso consumo, che consenta di massimizzare il tempo di utilizzo del dispositivo tra due ricariche successive. Possiamo dire che sul mercato esistono oggi sensori i cui consumi sono adeguati alle esigenze. Anche se è fondamentale sommare tutti i contributi, tuttavia i sensori attualmente utilizzati contribuiscono in minima parte al consumo globale. Tuttavia c'è tutto un filone di applicazioni in cui è d'obbligo l'uso di batterie primarie, in quanto la ricarica potrebbe non essere praticabile per motivi di accessibilità, sicurezza o altro. In molte di queste applicazioni il sensore è costantemente alimentato e utilizzato come sensore di movimento per risvegliare l'intero sistema. Applicazioni di questo genere si hanno in ambito sanitario, come ad esempio dispositivi di monitoraggio di attività fisica, apparati di rilevazione delle cadute, e in generale sistemi portatili di monitoraggio di funzionalità vitali. In ambito industriale l'utilizzo è previsto nella sorveglianza, antifurti e antifrode per contatori elettronici dell'acqua, reti di sensori wireless, giusto per citarne alcune. Se si utilizzano batterie primarie ogni singolo contributo è fondamentale a garantire un tempo di vita sufficientemente lungo. In questi casi è d'obbligo selezionare un dispositivo ottimizzato per bassi consumi. Ma il consumo si riduce anche adottando componenti che consentano in maniera intelligente di ridurre i consumi di sistema, mantenendo ad esempio l'intero sistema in modalità sleep, o meglio ancora non alimentato, e risvegliarlo solo quando si verifica un evento significativo. L'accelerometro monitora di continuo l'accelerazione lungo i tre assi e risveglia il sistema a seconda che ci sia presenza o assenza di movimento.
L'accelerometro a più basso consumo sul mercato
Analog Devices ha introdotto l'ADXL362, un accelerometro Mems a tre assi con consumi ultra-ridotti. A differenza di altri dispositivi simili che parzializzano il funzionamento nel tempo per poter raggiungere un consumo ridotto, l'ADXL362 campiona sempre alla massima banda consentita dai sensori indipendentemente dal data rate di uscita che si vuole adottare. In questo modo non si corre il rischio di aliasing, ovvero la perdita di informazione dovuta al sottocampionamento. L'accelerometro ha range programmabili ±2g, ±4g, ±8g, e, grazie all'Adc a 12 Bit raggiunge una risoluzione di ±1mg. Il sensore è composto da una massa mobile sospesa al di sopra del substrato mediante un sistema di molle il tutto in silicio policristallino. Quando il dispositivo è sottoposto a un'accelerazione la forza che agisce su di essa è bilanciata dalla forza di richiamo delle molle; all'equilibrio la massa risulta spostata di una certa quantità rispetto alla posizione di riposo, e questo spostamento è direttamente proporzionale all'accelerazione impressa. La misura dello spostamento avviene mediante un sistema capacitivo differenziale, realizzato ponendo delle armature solidali con la massa mobile e armature fisse poste sul substrato. Il segnale generato dal sensore viene inviato ad un circuito di demodulazione che estrae le informazioni relative all'intensità e alla direzione dell'accelerazione. La catena prevede anche un filtraggio analogico, prima che i segnali vengano inviati ad un multiplexer pronti per essere convertiti tramite l'Adc a 12 bit. L'ADXL362 è provvisto anche di un sensore che misura la temperatura interna del dispositivo e può essere usato per compensare le derive. La deriva tipica è di 0.5 mg/°C, e ogni sensore ha un comportamento ripetibile; questo fa sì che si possa, mediante un procedimento di calibrazione, tenerne conto e migliorare notevolmente le prestazioni in temperatura. Il sensore può essere utilizzato anche come monitor di temperatura del sistema, nel qual caso si consiglia una calibrazione iniziale per migliorarne l'accuratezza. La logica di controllo supervisiona le varie fasi e grazie ad alcune funzionalità aggiuntive è in grado di gestire il funzionamento autonomo del dispositivo. Questo è particolarmente importante quando, per ridurre al minimo i consumi di sistema, non si voglia ricorrere al micro per il controllo dell'accelerometro.
Modalità di funzionamento
L'ADX362 ha tre modalità di funzionamento, misura, wake-up e standby. In modalità di misura l'accelerazione viene letta di continuo e il componente consuma meno di 2 µA a 2,5 V di alimentazione e con output data rate di 100 Hz. Il consumo rimane inferiore a 4 µA se si utilizza il data rate massimo di 400 Hz. A parità di condizioni operative i dispositivi attualmente disponibili sul mercato consumano tra 10 e 20 µA a 100 Hz e tra 35 e 80 µA a 400 Hz. Per poter ridurre il consumo agli stessi livelli dell'ADXL362 questi dispositivi devono adottare delle funzionalità di power saving che comportano un undersampling del segnale con conseguente perdita di informazione. In modalità di wake-up il dispositivo può essere utilizzato come semplice sensore di movimento con circa sei campioni al secondo e consuma meno di 300nA a 2.5V. In questa modalità se viene rilevato un movimento l'accelerometro può rispondere autonomamente in tre modi diversi, ovvero passare alla modalità di misura, inviare un interrupt al microcontrollore, risvegliare l'intero sistema, o solo alcune parti, a seconda dell'architettura che si è adottata. Quando l'accelerometro è in wake-up la quasi totalità delle funzioni sono disponibili, tutti i registri sono accessibili così come la memoria FIFO. Infine in modalità di stand-by tutte le operazioni di misura vengono interrotte ed il consumo si riduce a soli 10nA. Questa modalità è particolarmente utile quando il sistema trascorre gran parte del tempo in sleep e si risveglia grazie ad un segnale di trigger esterno. Un uso intelligente della memoria Fifo (First In First Out), che può contenere fino a 512 campioni, consente di ridurre ulteriormente i consumi e semplificare la gestione da parte del microcontrollore. Infatti, mentre l'accelerometro immagazzina i dati nella Fifo, il resto del sistema può essere mantenuto in sleep e risvegliato solo quando il buffer è pieno e pronto per trasferire i dati. Alternativamente la Fifo può essere usata per immagazzinare temporaneamente i dati mentre il controllore è impegnato a svolgere altre funzioni. Il suo utilizzo non è mandatario e i dati possono essere trasferiti direttamente al micro tramite l'interfaccia Spi. Come è noto il basso consumo si ottiene a spese di altre prestazioni, tipicamente velocità e rumore. L'ADXL362 si contraddistingue per avere un basso consumo senza compromessi sulla velocità, e con un livello di rumore adeguato per una moltitudine di applicazioni. É tuttavia possibile migliorare le prestazioni di rumore, grazie a due funzionalità denominate Low Noise e Ultra Low Noise, a scapito di un ridotto aumento di consumo di corrente. Ricorrendo a queste modalità e ad una tensione di alimentazione più alta (3.3 V) è possibile ridurre la densità di rumore da 550 µg/√Hz a soli 175 µg/√Hz. Grazie alle sue caratteristiche uniche l'ADXL362 va a completare il quadro degli accelerometri triassiali presenti sul mercato stabilendo di fatto la leadership in termini di consumo. Per i progettisti di sistemi portatili che utilizzano sensori di movimento e che devono durare anche diversi anni alimentati a batteria la sfida si fa meno complessa grazie a dispositivi come l'ADXL362.
