I sensori basati sui Mems rappresentano oggi i componenti chiave dell'innovazione in settori particolarmente competitivi come quello automotive, quello consumer del computing e della comunicazione, e altri mercati emergenti come quello dei dispositivi medicali consumer. Il mercato automotive, sin dagli anni '90 ha svolto un ruolo trainante per la sensoristica Mems, ma ora i sensori Mems sono diventati pervasivi di quasi tutti i campi applicativi, dalle cartucce a getto di inchiostro ai telefoni cellulari, dagli hard disk ai Pda. I sensori rappresentano oggi una delle più importanti tecnologie abilitanti per le applicazioni embedded, in quanto queste, in maniera preponderante, interagiscono con il mondo fisico (analogico) e di conseguenza richiedono la cattura di informazioni di natura fisica. Il loro sviluppo, negli ultimi anni è stato molto condizionato dalle esigenze applicative dei sistemi embedded, spesso basati su processori digitali di segnale e capaci di eseguire processi di elaborazione molto sofisticati. Ciò ha implicato la necessità di integrare nel sensore una crescente quantità di tecnologie non strettamente legate alla natura del sensore stesso, quanto alla modalità e alle esigenze di utilizzo dettate dal sistema embedded e dall'applicazione cui questo è destinato (elettronica di calibrazione, logica digitale per l'interconnessione, funzionalità RF per la comunicazione, ecc.). Le problematiche di integrazione dei sensori di ultima generazione si sono molto complicate e soprattutto le loro prestazioni embedded non si sono dimostrate all'altezza degli stringenti requisiti delle applicazioni: bassi consumi di potenza, piccole dimensioni, basso costo. La tecnologia Mems, inizialmente utilizzata per la realizzazione dei sensori di movimento (accelerometri), si è dimostrata ideale proprio per la realizzazione di svariate tipologie di sensori, proprio grazie alla particolare capacità di integrare tecnologie di natura diversa nello stesso dispositivo e in scala microelettronica (meccanica, elettronica, ottica, ecc.). Così, oltre alla implementazione di accelerometri, altre tipologie di sensori Mems sono state rese disponibili, come i microfoni, i pressometri, i rivelatori di fumi, ecc. L'industria automobilistica è il primo beneficiario della tecnologia dei sistemi Mems, sia perché l'automotive ha innumerevoli spunti applicativi, sia perché concerne la sicurezza e l'efficienza. Inoltre, gli elevati volumi di produzione che caratterizza il mercato automotive costituiscono un forte incentivo agli investimenti in ricerca e sviluppo da parte delle aziende di semiconduttori. Il 2010 si è infatti confermato un anno di forte espansione del mercato Mems orientato all'automotive, dopo la flessione del 2009. La crescita continuerà almeno fino al 2013. Oltre alle consolidate applicazioni che fanno uso di accelerometri e giroscopi, altre tipologie di sensori Mems sono alla base di soluzioni come il controllo dei gas di scarico, i sistemi Esc (Electronic Stability Control) e Tpms (Tire Pressure Monitoring System). Inoltre, dispositivi Mems come gli accelerometri ad elevato fattore g, destinati a mercati di nicchia, ora trovano utilizzo anche nella realizzazione di airbag ad elevata affidabilità.
Sensori inerziali
I sensori inerziali sono principalmente rappresentati dagli accelerometri, dispositivi che hanno reso particolarmente popolare la tecnologia Mems. Altre tipologie di sensori inerziali sono state implementate con successo in tecnologia Mems, come i giroscopi, i sensori di impatto, i sensori sismici, ecc. Gli accelerometri sono specificatamente destinati all'industria automotive e per questo motivo si sono caratterizzati in termini sistemistici per l'integrazione di elettronica di interfacciamento e di auto calibrazione. Varie tecnologie di sensing sono state valutate (capacitiva, piezoelettrica, ottica, elettromagnetica, ecc.), ma tra queste quella che sembra abbia dimostrato maggiore compatibilità con i requisiti applicativi dell'automotive è la capacitiva. Questa tecnologia implica l'utilizzo di una tecnologia (elettronica) che è già parte della tecnologia microelettronica su cui si basa la realizzazione dei Mems stessi. Inoltre permette di soddisfare più facilmente i requisiti di basso consumo e di stabilità in un ampia gamma di temperatura. Una classe di accelerometri di elevata precisione, detti High-g Accelerometer, pur essendo destinati originariamente a mercati di nicchia come l'avionica o i laboratori di crash-test, di fatto stanno diventando d'interesse anche per altri mercati di grandi volumi, come l'automotive e il consumer, proprio per l'elevata precisione della rilevazione e misura del fattore di accelerazione.
L'accelerometro ADXL150 di Analog Devices integra sia l'elettronica di sensore, sia quella di calibrazione. Ciò rende questo dispositivo estremamente piccolo rispetto a un equivalente non Mems o Mems con l'elettronica di sensore con calibrazione esterna. Inoltre, risulta molto economico in termini di requisiti energetici. La calibrazione è un aspetto fondamentale dei sensori. In particolare l'autocalibrazione è di particolare interesse per i sistemi embedded sia per quanto concerne la precisione, sia per quanto concerne l'automazione dei processi. La tecnologia Mems ha dimostrato di essere particolarmente vantaggiosa per l'integrazione della funzionalità sensoriale con quella di controllo. Alla recente conferenza Nanotech 2010, i ricercatori della Perdue University hanno dimostrato la fattibilità di auto calibrazione dei sensori Mems per la rilevazione di grandezze fisiche di piccolissime entità. La novità dell'autocalibrazione sta nel fatto che non si necessita di un riferimento esterno.
Accelerometri angolari
Gli accelerometri angolari sono sensori particolarmente importanti per tenere sotto controllo le variazioni angolari e le vibrazioni di sistemi ad elevata precisione, come gli hard disk ad elevata densità e ridottissime dimensioni. La tecnologia Mems in questo caso è particolarmente importante in quanto, dato l'elevato livello di embedding di questi sistemi, la realizzazione miniaturizzata e integrata consente di soddisfare le specifiche applicative di questi sistemi. STMicroelectronics ha realizzato il dispositivo Mems LIS1R02, un sistema accelerometro rotazionale basato su un sistema di sensing capacitivo e sull'elettronica necessaria a produrre la misura in forma numerica (comunicazione seriale a 3 fili). La struttura Mems consiste di un rotore e di uno statore in cui le variazioni capacitive si manifestano quando la posizione relativa del rotore cambiano rispetto a quelle dello statore. Queste variazioni sono dell'ordine dei 50x10-18 farads. Grazie alla tecnologia Mems è stato possibile includere gli elettrodi attutivi che permettono di pilotare la posizione del rotore e dello statore. La posizione nominale del rotore viene continuamente ripristinata attraverso un'architettura Sigma Delta che è continuamente running. I dati di accelerazione vengono temporizzati in una Fifo a quattro livelli. La dimostrazione delle potenzialità della tecnologia Mems è l'LPR510AL, un giroscopio analogico dual axis pitch and roll ±100°/s di STMicroelectronics. Questo integra nello stesso dispositivo un attuatore e un accelerometro in una struttura micromachined. Include un elemento sensore composto da una singola massa tenuta in continua oscillazione e in condizione di reagire quando una variazione angolare viene applicata sulla base del principio di Coriolis. La misura viene eseguita da una circuiteria Cmos e resa disponibile all'esterno sotto forma di tensione.
La tecnologia Harmems
Freescale ha introdotto una tecnologia Mems di prossima generazione, denominata Harmems (High Aspect Ratio Micro-ElectroMechanical) che si è dimostrata essere particolarmente efficace per la sensoristica degli airbag. In particolare la tecnologia Harmems rende disponibile una risposta meccanica over-damped e un elevato rapporto segnale rumore. Queste prestazioni garantiscono un elevato livello di immunità alle alte frequenze e alle vibrazioni parassite di elevata ampiezza, tipicamente presenti nella cabina del veicolo, ove lo stesso arbag main Ecu system è installato. La tecnologia Harmems viene utilizzata anche negli accelerometri a due assi per i sistemi di controllo di stabilità per la misura dell'accelerazione laterale del veicolo.
Dal Mems al Nems: il futuro è già presente
La tecnologia dei sensori Mems, per quanto caratterizzata da eccezionali prestazioni, dovrà presto cedere il passo a quella Nems (Nano Elecro-Mechanical Systems). Formalmente si tratta del passaggio dalla scala micro a quella nano, ma di fatto è una reale innovazione tecnologica. Quantum Precision Intruments è una protagonista di questa innovazione della tecnologia Mems, che ha come obiettivo la realizzazione di una generazione di sensori Nems di elevatissima sensibilità, bassissimo costo e ridottissime dimensioni rispetto alla corrente tecnologia Mems. I prodotti già pianificati basati su nanoTrek sono i sensori intelligenti per le reti wireless, i sistemi di misura delle vibrazioni, accelerometri e giroscopi, i sistemi di stabilizzazione delle immagini, i microfoni ad altissima sensibilità, i sensori di movimento e vibrazione, i sismografi. Tutti questi dispositivi in tecnologia Nems, rispetto a quelli Mems, sono più precisi di almeno un ordine di grandezza, sono più leggeri e più piccoli, più robusti, producibili in elevati volumi con il processo di produzione convenzionale dei semiconduttori e sono più economici.
