Dai Mems ai sensori multifunzione

SENSORI & MEMS –

L’integrazione è il prossimo passo fondamentale per aumentare le prestazioni e ridurre il costo delle soluzioni basate su sensori Mems; le proposte in questo senso non mancano, sia dai classici costruttori di Mems che dalle aziende operanti negli IC misti e nel software.

I moduli Mems multisensori, integrati con il software e magari anche i processori necessari a convertire i segnali in uscita in funzioni di altro tipo, hanno un grande potenziale in termini di possibili miglioramenti delle prestazioni e di riduzione dei costi rispetto alle analoghe soluzioni tradizionali, e in più rispetto a queste ultime, hanno anche il vantaggio di poter essere impiegati in una più ampia gamma di applicazioni. Non solo i produttori di Mems, ma anche i classici costruttori di semiconduttori, gli sviluppatori software e le aziende specializzate in sottosistemi, hanno tutti l'obiettivo di catturare una fetta più o meno grande di questo valore aggiunto, proponendo moduli integrati e subassiemi per semplificare l'integrazione della parte sensoristica nel prodotto finale.

Mems per l’elaborazione audio
Ad esempio, nel mercato dall'elaborazione audio, Wolfson Microelectronics, un produttore di elettronica di conversione e di elaborazione audio-video ha di recente introdotto un processore hub mirato a facilitare l'integrazione di microfoni Mems. Wolfson punta ad accelerare l'adozione della più sofisticata elaborazione audio per avere un suono di migliore qualità nelle applicazioni consumer portatili, integrando tutte le funzioni in un singolo system-on-a-chip. Wolfson ritiene che concentrare tutta l'elaborazione audio e della voce in un hub rende più facile aggiungere nuove caratteristiche di qualità del suono a un prodotto, perché avendo già disposizione tutta la capacità di trattamento del segnale, spesso è solo necessario aggiungere moduli software di interfaccia al sensore; in pratica, migliorare la trasmissione o la cancellazione del rumore ambientale o l'elaborazione vocale, senza dover usare altro silicio. Il processore si interfaccia con qualsiasi tra i microfoni Mems disponibili, ma Wolfson ovviamente sostiene che, utilizzando i microfoni Mems proprietari, si hanno notevoli vantaggi perché la loro sensibilità perfettamente adatta al resto della circuiteria semplifica la selettività spaziale (beam forming) e la modulazione e demodulazione digitale. Una caratteristica chiave è la soppressione del rumore ambientale con una tecnologia più sofisticata che però utilizza un minor numero di microfoni. La cancellazione del rumore ambientale richiede uno o due microfoni aggiuntivi, oltre ai due già utilizzati in genere per ridurre il rumore di trasmissione, e uno o più per la correzione. L'hub supporta fino a otto microfoni, ma integra anche un supporto per gli ultrasuoni, con cui sensori Mems molto simili ai microfoni possono essere usati come ricevitori a ultrasuoni, ad esempio per rilevare le distanze o per riconoscere comandi gestuali. Un'altra opzione interessante del SoC potrebbe essere quella di elaborare il segnale audio per rallentare il parlato in uscita (per rendere più facile la comprensione a chi ha difficoltà); è una soluzione che alcuni produttori giapponesi di telefoni stanno esplorando.

Progetti per il rilevamento del moto
Un altro esempio di integrazione sistemistica dei Mems viene da Hillcrest, che è sostanzialmente un fornitore di software ma che ha deciso di ampliare il suo software di rilevamento del moto, creando un sistema che integra sensori inerziali acquistati da produttori terzi. Hillcrest assembla e calibra i moduli in modo dinamico, crea la fusione dei vari sensori, mappa il movimento rilevato per il tipo specifico di uscita richiesto ad esempio per un posizionamento di un cursore, per il movimento 3D o per il riconoscimento dei gesti. In questo caso il vantaggio starebbe nello sgravare il modulo sensore dai circuiti di elaborazione del segnale (già presenti nel sistema) e quindi nel taglio dei costi; l'azienda ha già disponibile il porting dei sensori per 7-8 processori differenti, fornendo il codice binario; la soluzione permette di ridurre i costi di rilevamento del movimento dei telecomandi fino al punto in cui uno può essere incluso ad esempio nel prezzo inferiore ai cento dollari del nuovo set top box Roku 2. Ulteriori progetti vanno dagli air mouse ai puntatori laser per presentazioni, ma anche nuove applicazioni quali il monitoraggio head tracking per la formazione. L'attivazione di queste applicazioni più complesse è, naturalmente, vincolata ai progressi nella tecnologia dei sensori inerziali Mems, ma anche cruciale è la velocità notevolmente migliorata e il costo dei processori general purpose, ora in grado di fare elaborazione del segnale senza costoso silicio dedicato.

NavChip per la simulazione del volo
Analoga idea di introdurre un sottosistema Mems completo per ridurre i costi e facilitare l'integrazione viene da InterSense. L'azienda da tempo propone moduli con sensori inerziali e algoritmi proprietari combinati con tecnologie a ultrasuoni e ottica per sistemi ad alte prestazioni di simulazione di volo o di combattimento. Ma passare dai simulatori alle applicazioni reali (ad esempio head tracking per piloti) richiedeva la creazione di moduli Imu più piccoli e con una migliore accuratezza. La decisione è stata di produrre un chip proprietario; così è nato il NavChip, di dimensioni minuscole (3 x 3 cm) che ha subito suscitato notevoli interessi per gli sviluppatori di applicazioni quali i registratori di volo a basso costo, Gps tascabili o per robot e veicoli senza pilota, stabilizzazione di giunti cardanici per macchine fotografiche e video. Ora che i Mems sono in grado di raggiungere un certo livello di prestazioni anche la difesa e l'avionica sono interessati, con utenti divisi tra chi vuole una soluzione completa chiavi in mano, ad esempio con l'integrazione tra Gps e sistema di navigazione inerziale, e altri che gestiscono in proprio l'integrazione sistemistica, anche se alcune funzioni, come la trasmissione wireless sono ormai considerate funzioni di serie. InterSense prevede di integrare il modulo con algoritmi di navigazione stimata e navigazione inerziale completa con soluzioni Gps per unità di personal tracking come il suo NavShoe, che permette di tracciare la posizione di un individuo anche in zone non coperte da segnale Gps. Nel mondo dei sensori inerziali di precisione vi è sempre stata la necessità di ottimizzare l'intero sistema, dal progetto del dispositivo per il singolo asse al package in alto vuoto, ai sofisticati processori e software per la calibrazione, compensazione e integrazione dei dati strumentali. In questi mercati di fascia alta la domanda è però se la tecnologia Mems si stia avvicinando al limite pratico di prestazioni dei dispositivi. I sensori inerziali Mems potranno essere ulteriormente migliorati senza arrivare al limite di spesa definito dai prodotti concorrenti, come i giroscopi ottici o gli accelerometri al quarzo? Le prestazioni potrebbero essere migliorate di un ulteriore ordine di grandezza, ma se le masse diventano più piccole, l'elettronica per distinguere i segnali e il packaging che deve isolare al meglio i sistemi sensibili diventano sempre più costosi e i limiti di scala pratica potrebbero non essere lontani.

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