Interfaccia elettronica per sensori Mems

Un ponte tra Mems ed elettronica tradizionale
I segnali generati da un sensore Mems devono essere trasmessi a un processore o microcontrollore prima di poter essere utilizzati dal sistema host, ma i dispositivi Mems sono prodotti con una tecnologia profondamente diversa da quella dei circuiti integrati dei dispositivi elettronici a stato solido, come i microcontrollori o i processori per applicazioni. Pertanto, le rispettive caratteristiche differiscono in modo significativo. Ciò significa che è necessaria un'interfaccia che possa collegare i due sistemi, ovvero un'interfaccia ottimizzata per i dispositivi Mems, caratterizzati da alta tensione di bias e piccoli segnali, ma che possa anche fornire un segnale in uscita pulito e stabile utilizzabile nel mondo dell'elettronica digitale. La differenza tra un dispositivo Mems e un dispositivo elettronico digitale risulta evidente dalla descrizione delle rispettive caratteristiche elettriche principali. Un sensore Mems richiede tipicamente un'alta tensione di bias (5-100 V) e produce tensioni di segnale di pochi µV. Al contrario, un microcontrollore funziona tipicamente con tensioni logiche digitali di 0-3,3 V e, con un convertitore analogico digitale integrato, può elaborare input analogici nella stessa gamma di tensioni. Inoltre, i dispositivi Mems producono variazioni di capacità di minima entità: devono essere rilevate variazioni inferiori a pochi attoFarad (1 attoF = 10-18 F). La precisione e la stabilità dei segnali in uscita del dispositivo sono inoltre altamente sensibili alle variazioni della tensione di alimentazione e della temperatura. Inoltre, la sensibilità varia notevolmente da campione a campione a causa di fluttuazioni nel processo di produzione dei Mems. Al contrario, in un microcontrollore o processore normalmente non è possibile effettuare alcuna misurazione diretta della capacità; inoltre, la complessa calibrazione necessaria per compensare le differenze di produzione impone un overhead indesiderato sul processore.

È evidente, quindi, che esiste un'esigenza funzionale di creare un collegamento tra il dispositivo Mems e un controller o processore. Tuttavia, si tratta di una progettazione difficile da implementare. L'interfaccia deve fornire:
- amplificazione a basso rumore di segnali di ingresso molto piccoli, oltre alla capacità di generare segnali di controllo puliti, stabili e ad alta tensione;
- front-end di rilevamento capacitivo con sensibilità a livello di atto Farad;
- impedenza di ingresso molto alta e capacità di ingresso molto bassa;
- calibrazione del sensore;
- un segnale in uscita stabile, immune al rumore e all'interferenza tipicamente riscontrati nei dispositivi altamente integrati, come i telefoni cellulari;
- inoltre, è importante che il circuito integrato d'interfaccia tolleri un'ampia gamma di tensioni di alimentazione, tenendo conto che l'alimentazione stessa è soggetta a rumore e interferenza.

Le ultime due caratteristiche sono auspicabili poiché semplificano e velocizzano il lavoro del progettista del sistema, eliminano la necessità di prevedere un alimentatore dedicato per il dispositivo Mems, ed evitano i ripetuti cicli di debug comunemente necessari in sistemi di sensori soggetti a rumore e interferenza.
La difficoltà di creare una tale interfaccia deriva, in parte, dall'esigenza di avere livelli di rumore molto bassi sul lato di ingresso al fine di proteggere l'integrità dei piccoli segnali del dispositivo Mems, e alte tensioni sul lato di uscita. Poiché i dispositivi Mems sono tipicamente utilizzati in applicazioni con spazio limitato, per il progettista l'ideale è avere tutte le funzioni di interfaccia integrate in un unico chip, senza la necessità di componenti di supporto (ciò facilita anche la creazione del layout del Pcb). Ovviamente, tutto ciò deve essere realizzato al minor costo possibile, il che significa implementare il dispositivo in Cmos piuttosto che in una tecnologia più costosa che potrebbe essere configurata più rapidamente per offrire elevate prestazioni del circuito analogico.

Scendere a compromessi
Dal momento che è così difficile combinare tutte le caratteristiche necessarie in un unico circuito integrato, è facile cadere nella tentazione di trovare un compromesso su una o più delle specifiche del dispositivo d'interfaccia. Tuttavia, in ogni caso, ciò comporterà una diminuzione delle prestazioni del sensore Mems oppure un peggioramento del segnale in uscita. Ad esempio, la tensione di alimentazione ottimale per il dispositivo Mems, fino a 100 V, genererà il maggiore segnale in uscita possibile senza danneggiare le strutture interne del dispositivo. Un'interfaccia che non fornisce una tensione elevata ridurrà l’ampiezza del segnale in uscita, aumentando l'effetto del rumore durante la fase di amplificazione. L'alimentazione non solo deve fornire una tensione elevata, ma deve anche comportare livelli di rumore molto bassi. Ad esempio, gli alimentatori nei telefoni cellulari sono esposti a diverse fonti di rumore che possono essere facilmente accoppiate all'alimentazione del dispositivo Mems, e persino piccole quantità di rumore possono peggiorare in modo significativo la qualità del segnale in uscita quando questo è a livello di pochi µV. L'effetto del rumore è altrettanto significativo durante la fase di amplificazione del segnale per lo stesso motivo.
Infine, qualsiasi compromesso sulle specifiche dell'impedenza di ingresso e della capacità di ingresso dell'interfaccia per il segnale in uscita del sensore Mems causerà un carico eccessivo sul sensore, riducendo l’ampiezza del segnale in uscita stesso e, come detto sopra, aumentando l'effetto del rumore durante la fase di amplificazione. Pertanto, è evidente che un compromesso sulle specifiche dell'interfaccia implica il peggioramento della qualità (precisione e risoluzione) del segnale in uscita. Considerando il package sensore Mems + circuito integrato d'interfaccia come una "scatola nera", sarebbe facile presumere che le differenze tra un modulo basato su Mems e un altro derivano da differenze nella qualità e nelle prestazioni del sensore Mems. In realtà, due moduli contenenti esattamente lo stesso sensore Mems fornirebbero segnali in uscita notevolmente diversi se fossero accoppiati a due circuiti integrati d'interfaccia diversi. Ne consegue quindi che gli ingegneri di progettazione Oem dovrebbero valutare attentamente i possibili moduli dei sensori Mems invece di supporre che la qualità del sensore Mems sia l'unico fattore determinante delle prestazioni del modulo.

Ottimizzare le prestazioni del circuito integrato d'interfaccia
Pertanto, quando si progettano e si producono dispositivi elettronici analogici è complicato realizzare un circuito integrato d'interfaccia Mems che consenta di ottimizzare le prestazioni del sensore a cui è accoppiato. L'entità della difficoltà può essere meglio illustrata facendo riferimento ad un esempio reale di sensore Mems: i microfoni Mems sono oggi ampiamente utilizzati nei telefoni cellulari e in altri prodotti finali poiché offrono vantaggi in termini di prestazioni, stabilità e affidabilità rispetto ai microfoni a condensatore a elettrete tradizionali.
Un microfono Mems è un tipico esempio di sensore Mems con proprie caratteristiche elettriche.  Nel limitato spazio fisico di un telefono cellulare, è essenziale che l'interfaccia integri tutte le funzioni necessarie, senza ricorrere a componenti esterni. Il successo dell'implementazione di un tale dispositivo richiede una combinazione di tecniche avanzate di progettazione di circuiti analogici e un processo di fabbricazione ottimizzato per livelli di rumore bassi e tensione elevata. In un circuito integrato d'interfaccia progettato e prodotto da austriamicrosystems AG per integrare un trasduttore microfono Mems, le innovative progettazioni hanno permesso di ottenere livelli di rumore estremamente bassi nell'alimentatore e nell'amplificatore del segnale. Ad esempio, la tensione è regolata da un regolatore Ldo (Low Drop-Out), un dispositivo che fornisce un buon disaccoppiamento del rumore dell'alimentazione e del rumore digitale dal circuito analogico per piccoli segnali e che produce una corretta tensione di ingresso per la pompa di carica. Tuttavia, l'efficienza energetica delle configurazioni Ldo convenzionali è scarsa, per una buona stabilità è generalmente necessario usare un condensatore esterno per ciascun segnale in uscita, e l'oscillazione della pompa di carica comporta un eccessivo rumore nell'alimentazione del sensore. Il circuito integrato di austriamicrosystems utilizza una tecnica di Flipped Voltage Follower (inseguitore di tensione) per implementare un Ldo senza condensatore e con segnali in uscita multipli. Tale sistema garantisce un basso consumo energetico, fornisce un’esatta regolazione dell'alimentazione della pompa di carica e occupa una piccola area del die. L'innovazione è altrettanto evidente nella progettazione di un amplificatore a basso rumore brevettato, che anche in questo caso non richiede un condensatore esterno, occupa una piccola area del die e include filtri per il rumore a bassa e ad alta frequenza. Oltre alla progettazione di circuiti, il processo di fabbricazione Cmos ad alta tensione di austriamicrosystems supporta anche l'utilizzo di circuiti analogici a basso rumore e fino a 120 V. La tecnologia Cmos è normalmente utilizzata per produrre circuiti digitali, ma presso lo stabilimento di produzione di austriamicrosystems situato a Graz, in Austria, il processo brevettato di fabbricazione Cmos ad alta tensione a 0,35 µm è stato ottimizzato per l'analogico ad alte prestazioni, mantenendo i vantaggi del low-cost offerti dalla tecnologia Cmos.
La combinazione della progettazione del circuito con il processo produttivo dà vita a un circuito integrato che si interfaccia direttamente sia al microfono Mems che a un processore in banda base, senza la necessità di componenti esterni. Tale circuito fornisce:
- rumore nel circuito analogico <5µV
- basso assorbimento di corrente pari a 130µA
- capacità di ingresso <100fF
- impedenza di ingresso ~10TΩ (Tohm)
- tensione di bias pulita, a basso rumore, stabile e indipendente dalle alimentazioni esterne al circuito integrato pari a 5-20 V.