I giroscopi e gli accelerometri Mems sono integrati in un numero sempre maggiore di dispositivi elettronici consumer e sono divenuti componenti fondamentali dei sistemi per il controllo della stabilità e di navigazione a bordo delle moderne automobili. Quando in un prodotto finito è previsto l'uso di un giroscopio Mems, è utile conoscere sia il principio di funzionamento sia gli elementi da tenere in considerazione per la sua integrazione nel progetto. Gli accelerometri e i giroscopi Mems realizzati da Murata Electronics OY adottano un approccio di rilevamento di tipo capacitivo, dove il valore della capacità di uno o più condensatori varia quando viene applicato uno stress meccanico. L'accelerometro integra una o più (multi-asse) masse di prova (o masse campione) che rilevano gravità e accelerazione. La forza generata sulla massa di prova dà origine a una una deformazione di una molla in silicio che viene rilevata come una variazione nella distanza tra una o più coppie di armature del condensatore. Grazie a questa tecnologia è possibile ottenere in maniera estremamente semplice vari livelli di smorzamento (damping) modificando il valore della pressione del gas nella cavità dove è posizionata la massa di prova. I livelli tipici di smorzamento sono i seguenti: sovrasmorzamento, smorzamento critico o sotto-smorzamento. Gli elementi multi asse vengono generati mediante lo spostamento della posizione del centro di gravità della massa di prova relativamente alla sospensione della molla, spostando l'asse di rotazione.
Le molle sono realizzate a partire da un silicio monocristallino e sono caratterizzate da una funzione di trasferimento molto stabile con una dipendenza del guadagno dalla temperatura molto prossima alla costante elastica del silicio (inferiore all'1% su un intervallo di temperatura di 100 °C) che risulta molto facile da compensare. Le strutture simmetriche danno luogo a effetti di auto-compensazione interna, garantendo un punto di zero molto stabile rispetto alla temperatura e al tempo. Il segnale di ampie dimensioni proveniente dall'elemento di rilevamento semplifica il progetto dell'elettronica di interfaccia e consente di effettuare ottimizzazioni in termini di consumi, risoluzione o velocità. Il sensore di velocità angolare (o giroscopio) utilizza l'effetto Coriolis. A una massa di prova viene impresso un movimento angolare, in questo caso un movimento angolare di tipo vibratorio. Una velocità angolare perpendicolare a questo movimento provocherà una forza proporzionale sia al movimento vibratorio sia alla velocità angolare e perpendicolare a entrambi. Questa forza di Coriolis viene rilevata attraverso un rilevamento capacitivo sincronizzato. Le strutture di tipo simmetrico garantiscono un'elevata stabilità e permettono di ridurre la sensibilità incrociata (cross sensitivity) all'accelerazione lineare o angolare.
Due dispositivi per applicazioni diversificate
Per soddisfare al meglio le richieste provenienti dai diversi mercati e dalle varie applicazioni, Murata ha sviluppato due tipi di giroscopi. Mentre il primo assicura prestazioni e affidabilità decisamente elevate, il secondo è stato sviluppato per garantire i minimi consumi di energia. Un giroscopio ad alte prestazioni e a basso rumore è solitamente destinato ad applicazioni nei settori automotive e della strumentazione di bordo. Il secondo, invece, è destinato essenzialmente all'uso in dispositivi consumer alimentati a batteria, come smartphone e unità di navigazione Gps personali. Mentre il giroscopio per uso automobilistico è un componente a singolo asse, quello per applicazioni consumer è un dispositivo a 3 assi, formato da un elemento con una massa di prova ma con differenti elettrodi di rilevamento per i tre assi.
Criteri di scelta
Nella fase di selezione di un giroscopio Mems, è necessario esaminare accuratamente le specifiche tecniche fornite dal costruttore. Nel caso dei sistemi di sicurezza per applicazioni automobilistiche, in particolare per il controllo elettronico della stabilità, uno dei fattori principali da tenere in considerazione - visto l'ambiente in cui si trova ad operare - è l'affidabilità, in termini sia di stabilità sia di durata. Il sensore deve essere in grado di funzionare nell'intervallo esteso di temperatura, compreso tra -40 e +105 °C e superare i 3.000 cicli di test. Per quanto riguarda le caratteristiche del sensore è necessario esaminare la sensibilità del segnale di uscita rispetto all'ingresso (che deve essere pari a circa il 2%) e il range di misura che deve essere dell'ordine di 100 gradi/s (dps). La misura dell'accuratezza dimensionale deve essere pari a circa 1,5 gradi/s (tra 1° e il punto zero). Un altro elemento da tenere in considerazione è l'assenza di suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche. Negli strumenti di navigazione e in applicazioni simili dove è richiesto un elevato grado di precisione, quanto sopra esposto è da tenere nella massima considerazione così come il rumore. L'errore causato da rumore bianco (white noise) e dal rumore 1/f (flicker) e la risoluzione sono altri elementi molto importanti. Inoltre è necessario evitare il percorso casuale (random walk) provocato dal rumore bianco e i problemi di stabilità che sono imputabili al rumore 1/f e alla deriva del sensore. La stabilità è influenzata da parecchi fattori che devono essere minimizzati: i più importanti sono senza dubbio il comportamento in temperatura e la sensibilità all'accelerazione lineare. Nelle applicazioni consumer, in particolar modo nei sistemi Ahrs (Attitude and heading reference system), ovvero i sistemi per la misura di assetto e direzione, così come in quelli utilizzati per il controllo remoto e i veicoli aerei autonomi, il punto cruciale è reperire un sensore a bassissimo costo, compatto e con consumi ridotti caratterizzato da un adeguato range di misura, compreso tra 1.000 e 2.000 gradi/s. Insensibilità alle vibrazioni, caratteristiche di basso rumore ed elevata stabilità sul breve periodo sono altri elementi da tenere in considerazione. I giroscopi digitali offono interfacce di tipo I2C o Spi. Ad esempio l'Spi presente sul giroscopio MemsSCA100T di Murata dispone di un'interfaccia seriale sincrona a 4 fili. La comunicazione dati viene abilitata mediante un collegamento Slave Select o Chip Select (Csb) attivo basso. I dati sono trasmessi con un'interfaccia a 3 fili formata da conduttori per ingresso dati seriali (Mosi), uscita dati seriali (Miso) e clock seriale (Sck). L'interfaccia Spi è stata progettata per supportare qualsiasi microcontrollore che utilizzi questo tipo di bus. La comunicazione può essere effettuata mediante una porta Spi basata su hardware oppure su software.
