Mems, Moems e deeply embedded systems

Mettere tutta la funzionalità di un telefono cellulare su un singolo chip rappresenterebbe l'affare del secolo. Oltre a risolvere problematiche legate alle dimensioni, si ridurrebbero anche quelle relative ai consumi ed ovviamente al costo e all'affidabilità del sistema. Questo obiettivo non è legato solo alla densità di integrazione microelettronica. Molte delle parti di un telefono cellulare non sono elettroniche. È necessaria quindi una tecnologia di integrazione che tratti anche tecnologie diverse da quella elettronica, prima di tutto la meccanica, ma poi anche altre come l'ottica. Questa tecnologia esiste, si chiama Mems (Micro Electro-Mechanical Systems), ed è già in una fase molto avanzata, cosiddetta Moems (Micro Optical-Electro-Mechanical Systems) che ha tutti i presupposti per perseguire il livello di integrazione che potrebbe richiedere un telefono cellulare, come qualsiasi altra integrazione fatta di tecnologie ibride. Fino ad ora il livello di embedding e di system-on-chip più avanzato l'abbiamo visto in termini di elettronica digitale e di integrazione tra elettronica digitale ed elettronica analogica. Con i Moems tutte le tecnologie e le scienze possono contribuire all'integrazione su scala micro e nanometrica di complesse funzionalità e di interi sistemi.

Dalla scala reale alla scala micro e nanometrica
I Mems sono dispositivi che integrano a livello di scala micrometrica, ed anche nanometrica, funzionalità di natura elettromeccanica come motori, trasduttori, microspecchi, sensori, pompe, accelerometri, ottenendo in tal modo i vantaggi della microelettronica in termini di dimensioni, di processo produttivo e soprattutto di integrazione con altre tecnologie microelettroniche come quella del microcontrollo e del mixed-signal. L'innovazione della tecnologia Mems riguarda soprattutto la possibilità di portare su scala micro e nanometrica tecnologie che fanno riferimento a campi fisici di natura diversa da quella elettronica, in particolare quella meccanica, ma anche quella chimica, ottica, dei fluidi, oltre ovviamente a quella elettronica ove questa coesiste (per esempio l'elettromeccanica). È facile quindi immaginare che questa tecnologia ha una potenzialità di mercato immensa, come dimostrano le proiezioni di mercato che compaiono nei report relativi alle tecnologie innovative per il prossimo decennio, considerando il potenziale massiccio utilizzo in prodotti consumer come i videogiochi e la telefonia cellulare. I Mems non sono una tecnologia recente, in quanto la ricerca e sviluppo è attiva da oltre un decennio, soprattutto da parte dei principali produttori di microelettronica. Di fatto, la complessità di questa tecnologia e la difficoltà di portarla in termini di prodotto sul mercato, ne hanno limitato fino ad ora quella diffusione in volumi che meriterebbe. L'integrazione a livello SoC sta configurando le condizioni applicative che consentiranno l'utilizzo di questa tecnologia con le stesse potenzialità offerte fino ad ora dalla microelettronica. I Mems sono dunque una delle tecnologie più importanti di questo decennio, proprio per la capacità di far convergere in un unico sistema micro-nanometrico praticamente tutte le principali tecnologie (elettronica, meccanica e ottica) e scienze (chimica, fisica e biologia). Il vantaggio di passare dalla scala macroscopica a quella microscopica, e contemporaneamente all'integrazione su un supporto comune (per esempio il silicio), apre un campo di possibilità applicative di natura embedded inimmaginabile.

La realtà in scala microscopica
I Mems sono dispositivi di piccolissime dimensioni che, combinando insieme funzionalità elettriche e meccaniche, consentono di realizzare le stesse funzionalità dei dispositivi elettromeccanici equivalenti in scala reale. Le dimensioni dei Mems sono dell'ordine dei micron, ma le tecnologie di ultima generazione hanno dimostrato l'integrabilità su scala submicronica. Su tale scala vengono quindi realizzati componenti meccanici come le molle, gli ingranaggi, i diaframmi, esattamente funzionanti come quelli in scala reale tipica di tali componenti. I Mems operano in scala microelettronica realizzando funzionalità meccaniche che generano effetti su scala macroscopica, consentendo quindi di sostituire la macromeccanica ove questa già esiste e di introdurre la meccanica ove la macromeccanica non è potuta essere introdotta per ragioni di dimensioni, di costo e di consumi energetici. La tecnologia di fabbricazione dei Mems, caratterizzata da scala microscopica, porta innumerevoli vantaggi tipici della microintegrazione, in particolare la produzione di numerosissimi dispositivi identici (array) sullo stesso supporto (package). Ogni singolo dispositivi esegue una funzione elementare, ma la combinazione di molti dispositivi porta alla realizzazione di funzionalità elettromeccaniche estremamente complesse, irrealizzabili in maniera conveniente in scala macroscopica (Vedi box: Mems e nanotecnologie). Le tre principali caratteristiche dei Mems sono la miniaturizzazione, la replicabilità multipla e l'integrazione con l'elettronica. Grazie alla miniaturizzazione i Mems realizzano componenti di incredibile compattezza. Questa, combinata alla replicabilità consente di ottenere copie identiche dello stesso dispositivo in elevati volumi di produzione, come avviene per i dispositivi microelettronici basati sui semiconduttori. L'integrazione con la microelettronica consente inoltre di conferire a dispositivi elettromeccanici “intelligenza” integrata. Le principali aree applicative dei Mems riguardano i sensori di pressione (incluso anche i microfoni), gli accelerometri, i sensori inerziali, i micromotori. Queste aree applicative sono quelle che attualmente impegnano i produttori in discreti volumi, considerando la potenzialità applicativa del mondo consumer. L'integrazione di sistema è comunque la caratteristica principale che sta posizionando i Mems in testa alla lista delle tecnologie innovative e abilitanti.

I microfoni Mems
I microfoni Mems giocheranno nel prossimo futuro lo stesso importante ruolo che hanno giocato gli accelerometri Mems nelle applicazioni consumer. I microfoni Mems sono microfoni di piccolissime dimensioni, meno di 1 millimetro, che possono essere integrati con l'elettronica di un chip, ottenendo in tal modo microfoni ad altissime prestazioni e funzionalità avanzata, quindi adatti alle applicazioni molto sofisticate in dispositivi basati sull'audio, per esempio il riconoscimento vocale sui telefoni in condizioni ambientalmente sfavorevoli, oppure la cattura audio Hi-FI in dispositivi consumer, ecc. Un esempio emblematico dal punto di vista del system integrator è il MP45DT01 di STMicroelectronics, un microfono in banda audio omnidirezionale e uscita digitale. Questo microfono Mems si caratterizza per essere a basso consumo e stereo, incapsulato in un package di pochi millimetri e sei contatti. L'elemento sensibile alla pressione acustica è basato su un processo specializzato basato su silicio per la produzione di sensori audio. L'interfaccia IC, realizzata con il processo Cmos, integra la realizzazione Mems del microfono con la funzionalità di interfacciamento digitale diretta verso il sistema di elaborazione del segnale audio, utilizzando il formato Pdm. Ciò consente l'interfacciamento diretto del microfono al Codec, riducendo al massimo la componentistica al contorno. Un altro esempio emblematico viene dai Sandia National Laboratories. Questi hanno sviluppato soluzioni ottiche ad elevatissima affidabilità in scala micro e nanometrica nel dominio elettromeccanico e biologico. Nell'ambito di questa attività di micro fabbricazione è stato realizzato un microfono ottico in tecnologia Mems. Si tratta di un array microfonico (un insieme di microfoni) capace di catturare il suono con elevatissima precisione e accuratezza. Con le sue piccolissime dimensioni, consente di realizzare applicazioni avanzate di signal processing relative alla rilevazione direzionale dei suoni e alla localizzazione della sorgente, pur richiedendo meno di 2 centimetri di apertura.

Gli optical Mems
I Mems integrano di fatto tutte le scienze e le tecnologie. Tra tutte le tecnologie che i Mems integrano, la tecnologia ottica, rappresenta una delle più importanti peculiarità, tanto da definire una categoria specifica di Mems denominata Moems (Micro Optical-Electro-Mechanical Systems), gli optical Mems. Un esempio di implementazione di questa tecnologia sono i 2 milioni di microspecchi che Texas Instruments ha integrato su singolo chip (DLP), tutti controllabili selettivamente. Grazie a questa implementazione, è stato possibile realizzare proiettori portatili ed altre applicazioni di natura professionale e consumer in campo video, beneficiando dei vantaggi di riduzione delle dimensioni e dei consumi offerti da tale soluzione tecnologica. Quando viene integrata una sorgente di luce e un bit pattern viene fornito a questo chip, i microspecchi possono rifletterli ad altissima velocità e con enorme efficienza. La tecnologia Mems consente di realizzare questi microspecchi analogici controllabili singolarmente in termini direzionali. I microspecchi sono montati su microscopiche cerniere controllabili in modo tale da riflettere o non riflettere la sorgente luminosa, creando in tal modo un pixel acceso/spento sulla superficie di proiezione. L'operazione meccanica on/off sul pixel può essere eseguita migliaia di volte al secondo. In tal modo si ottengono anche le gradazioni di grigio (illuminazioni intermedie tra stato acceso e spento del pixel).

Mems e tecnologia wireless
La tecnologia wireless è un'altra delle importanti funzionalità di sistema che stanno fruendo ampiamente dei vantaggi dell'integrazione. La combinazione tra tecnologia Mems e tecnologia wireless è un altro importante obiettivo di innovazione per le applicazioni embedded. Gli RF Mems rappresentano uno degli ultimi sviluppi della tecnologia micromachining. La peculiarità degli RF Mems sta nei bassi consumi energetici che rendono particolarmente vantaggioso lo sviluppo di applicazioni alimentate a batteria. Anche dal punto di vista funzionale sono particolarmente attrattivi. La loro elevata linearità rende particolarmente semplice il loro impiego, dal punto di vista sistemistico, in quanto non richiede funzionalità aggiuntiva per tenere sotto controllo le problematiche di distorsione armonica e di intermodulazione. Ovviamente, la microminiaturizzazione che comporta la realizzazione Mems della funzionalità RF e la limitatissima quantità di componenti al contorno, consente la realizzazione di sistemi embedded wireless estremamente compatti, data la possibilità di contenere tutto su un singolo chip. L'applicazione degli RF Mems è relativa a funzionalità di base come i risuonatori e gli interruttori per l'implementazione di oscillatori e sistemi di routing, quindi, oltre che in tipiche applicazioni come i sensori radar, anche nelle software-defined radio, relativamente alla riconfigurabilità dell'antenna e al tuning dei filtri passa banda.

Mems e nanotecnologie
Le tecnologie Mems hanno il futuro nelle nanotecnologie, come Ibm ha dimostrato con il progetto “Millipede” relativamente ai dispositivi di memorizzazione (un trilione di bit per pollice quadro, oltre venti volte la densità di memorizzazione dei sistemi di memorizzazione magnetica più avanzati). La densità di memorizzazione ottenuta è incredibilmente elevata, in pratica consentirebbe di memorizzare, su una superfiche equivalente a quella di un francobollo circa 25 milioni di pagine di testo. È la tecnologia di memorizzazione che rivoluzionerà dispositivi a elevato livello di embedding come i telefoni della prossima generazione. Questa densità di memorizzazione è stata ottenuta implementando un sistema simile a quello delle schede perforate (card punch/reader), ma in versione nanometrica, quindi, nello spazio equivalente di un buco del nastro perforato (che memorizza 1 bit), questo sistema memorizza 3 miliardi di bit. Oltre alla densità, il vantaggio è in termini di consumo di potenza elettrica. Le tanto promettenti memorie Flash sono dieci volte meno dense e consumano più potenza elettrica. Questa soluzione di memorizzazione ad altissima densità ha una componente funzionale elettromeccanica, la testina di lettura e scrittura. Questa è stata realizzata in modalità embedded con 1000 probe Afm (Atomic Force Microscope) un’invenzione Ibm, su un singolo chip in tecnologia Mems. Questi probe si muovono lungo tutta la superficie di memorizzazione leggendo o scrivendo lo stato binario di un “foro” di dimensione nanometrica.

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