Nuovi Mems per i sistemi portatili

SENSORI & MEMS –

Il settore dei prodotti portatili di largo consumo offre ottime potenzialità applicative per gli accelerometri 3D, utilizzati come interfacce utente, e per i proiettori televisivi miniaturizzati.

Da anni, ormai, i Mems sono usciti dai laboratori e hanno acquisito una consolidata identità industriale: fabbricati in grandi volumi, vengono infatti utilizzati regolarmente all'interno di prodotti di largo consumo come le automobili. Le potenzialità industriali di questa tecnologia, tuttavia, sono state esplorate solo in parte; una grossa fetta del mercato Mems, infatti, è tuttora costituita da sensori di pressione. Vari elementi inducono oggi a pensare che il mercato dei dispositivi microelettromeccanici sia destinato a un forte sviluppo nei prossimi anni, sotto la spinta di nuove applicazioni. Tra i filoni più promettenti è certamente compreso il settore automobilistico, dove gli accelerometri Mems saranno utilizzati nell'ambito di funzioni quali controllo elettronico della stabilità, controlli di navigazione adattativi, sistemi di assistenza alla guida, sospensioni attive. Ma altrettanto promettenti sono le applicazioni nei sistemi di largo consumo, come i telefoni cellulari evoluti e i giochi elettronici. Com'è noto, questa direzione evolutiva è stata indicata in modo molto chiaro da prodotti come Iphone, che impiega un sensore Mems per ruotare l'immagine nel display quando l'utilizzatore ruota l'apparecchio, e dalla piattaforma Wii di Nintendo, dove gli accelerometri sono utilizzati per rilevare i movimenti del giocatore. Il futuro dei Mems è stato il tema di un incontro che si è tenuto a San Francisco con la partecipazione di alcune delle aziende operanti in questo settore.

L'evoluzione degli accelerometri Mems
Una delle tendenze che sono già emerse in modo molto chiaro è l'evoluzione degli accelerometri Mems, con la comparsa di componenti in grado di rilevare movimenti di vario tipo nelle tre dimensioni dello spazio. Questa categoria di prodotti configura la possibilità di un impiego generalizzato dei Mems per la realizzazione di interfacce utente basate sui movimenti della mano o su colpetti assestati con la punta di un dito. Mark Martin, responsabile della divisione Micromachined Products di Analog Devices, ha parlato a questo proposito dei “cinque sensi del movimento”: accelerazione, vibrazione, rotazione, tilt (ribaltamento) e shock (urto). Ciascuno di questi “sensi” può trovare applicazione in una grande varietà di settori: la misura delle vibrazioni, ad esempio, può essere utilizzata nei sistemi di manutenzione predittiva di macchine e impianti, mentre il rilevamento degli urti viene sfruttato per proteggere i dischi rigidi. Secondo Martin, però, i produttori di sistemi sono poco propositivi nello sfruttamento delle opportunità offerte dai Mems e si limitano ad attendere i suggerimenti forniti dall'industria dei semiconduttori.
Le potenzialità dei Mems nella realizzazione di interfacce utente sono state sottolineate da Eric Eisenhut, responsabile marketing di Kionix, (Ithaca, stato di New York), che ha illustrato le caratteristiche del nuovo sensore KXTF9. Questo componente Mems è in grado di distinguere tra colpetti singoli e doppi, e può inoltre rilevare la direzione da cui essi provengono. Moltiplicando le tre dimensioni spaziali (X, Y e Z) per le due direzioni da cui possono provenire i colpi, per le due modalità di sollecitazione (colpetto singolo o doppio), si ottiene un totale di dodici comandi diversi. Un numero sufficiente a realizzare interfacce utente relativamente complesse.

Sensore di movimento con funzioni speciali
Analog Devices propone il dispositivo ADXL346, un sensore di movimento su tre assi caratterizzato da basso consumo e dimensioni contenute. Il prodotto è in grado di rilevare movimenti di tilt, shock e accelerazione con una risoluzione di 4 mg/LSB, sufficiente per misurare - ad esempio - un cambiamento di inclinazione di 0,25 gradi. Alimentato con una tensione minima di 1,8 volt, il dispositivo misura 3x3x0,95 millimetri e può essere configurato per diverse velocità dei dati in uscita (ODR, Output Data Rate). Alla riduzione della velocità corrisponde un calo dei consumi. Il nuovo accelerometro di Analog Devices è dotato di una memoria Fifo che può conservare fino a 32 campioni di dati relativi agli assi X, Y e Z; la presenza di questa funzione integrata consente di liberare il processore host e altri componenti del sistema dai compiti di gestione dell'accelerometro, contribuendo alla riduzione dei consumi complessivi. La frequenza di rilevamento del movimento può essere configurata per valori compresi 0,1 e 1600 Hz, oltre che per diverse gamme di valori di accelerazione. Tra le funzioni speciali sono comprese la possibilità di distinguere tra colpetti singoli o doppi e di rilevare la caduta libera del sistema. Il dispositivo dispone di modalità di funzionamento sleep e stand-by.

Accelerometri 3D miniaturizzati
L'accelerometro KXTF9 di Kionix, anch'esso progettato per rilevare movimenti nelle tre direzioni dello spazio, comprende un Asic che esegue l'algoritmo necessario per realizzare la funzione “Directional Tap/Double Tap” precedentemente descritta. Si tratta, come già detto, della possibilità di distinguere tra colpetti singoli e doppi e di rilevare la direzione da cui essi provengono. Il dispositivo, che misura 3x3x0,9 millimetri, è programmabile per quanto riguarda i parametri di risoluzione (8 o 12 bit), la velocità dei dati in uscita e le gamme di valori di accelerazione rilevabili. L'accelerometro di Kionix accetta tensioni di alimentazione comprese tra 1,8 e 3,6 volt ed è dotato di interfaccia I2C.
Attiva nel settore degli accelerometri 3D anche la finlandese VTI Technologies, che ha recentemente messo a punto un dispositivo caratterizzato da dimensioni particolarmente piccole e consumi molto contenuti. Grazie all'impiego del “wafer level packaging”, che consente di fare a meno del contenitore plastico, il CMA3000 misura infatti solo 2x2x0,9 millimetri. Il consumo (che dipende anche in questo caso dall'output sample rate prescelto) può scendere fino a 7 microampere. L'accelerometro è disponibile in versione analogica o digitale. I sensori prodotti da VTI Technologies sono basati su una tecnologia capacitiva che impiega silicio cristallino e vetro, soluzione che - secondo la società - assicura alta affidabilità, stabilità nel tempo e assenza di deriva termica.

Un accelerometro triassiale a basso costo
L'impiego di interfacce utente basate sul rilevamento dei movimenti non è più un lusso riservato ai più costosi telefoni hi-tech. “L'uso degli accelerometri triassiali - che consentono all'utilizzatore di impartire comandi colpendo, scuotendo o inclinando il sistema - si sta allargando ai telefoni di fascia media e bassa”, ha infatti sostenuto Thierry Cammal, vicepresidente Emea Consumer Sales & Marketing di Freescale, nel corso di un'intervista rilasciata recentemente a Selezione di Elettronica. Intenzionata a cogliere queste nuove opportunità di mercato, la società ha pertanto messo a punto un nuovo dispositivo appositamente rivolto ai sistemi portatili di costo contenuto. L'accelerometro, denominato MMA7660FC, possiede due doti particolarmente importanti per il segmento di mercato cui si rivolge: basso prezzo e consumo contenuto. Quest'ultimo risultato è stato ottenuto grazie a funzionalità di gestione intelligente dell'alimentazione che contribuiscono a prolungare la durata delle batterie. Oltre che nei telefoni cellulari, il dispositivo può trovare applicazione anche in piccoli elettrodomestici e giochi elettronici. L'accelerometro triassiale MMA7660FC può essere configurato con valori di soglia programmabili per quanto riguarda l'orientamento della visualizzazione sul display (portrait, cioè lato corto in orizzontale, oppure landscape, lato corto in verticale) per sei tipi di orientamento: sinistra, destra, alto, basso, posteriore e anteriore. Oltre a rilevare con precisione i movimenti della mano, il dispositivo comunica direttamente con il processore del sistema principale tramite un'interfaccia I2C che consente di semplificare e rendere più flessibile lo scambio dei dati. La gamma dei valori di accelerazione misurabili è ±1,5g. Secondo Freescale, l'accelerometro MMA7660FC consente una durata delle batterie fino a cinque volte superiore rispetto ad altre soluzioni attualmente disponibili sul mercato. Il confronto è riferito a un'attività ininterrotta di rilevamento dei movimenti. Questo risultato è stato ottenuto tramite diversi accorgimenti: l'impiego di varie modalità di funzionamento a basso consumo (l'assorbimento di corrente scende a 0,4 microampere in off-mode, 2 microampere in standby, 47 microampere in modalità attiva alla velocità di un campione al secondo); la possibilità di scegliere tra otto valori di frequenza di campionamento, da 1 a 120 campioni al secondo; e infine l'impiego di una funzione wake-up/sleep automatica configurabile, che non necessita di intervento o polling da parte del processore host. L'accelerometro MMA7660FC si rivolge principalmente a sistemi portatili di largo consumo come telefoni cellulari, PDA e macchine fotografiche digitali. Ulteriori possibili applicazioni comprendono il rilevamento degli urti e il controllo del movimento nei personal computer e nelle relative periferiche; il monitoraggio dell'attività in applicazioni sportive e medicali; il rilevamento dell'orientamento e della caduta libera nei giocattoli e nei videogiochi. Dotato di un contenitore DFN a basso profilo di 3x3x 0,9 millimetri, il dispositivo è in grado di resistere a urti fino a 10.000g. I progettisti possono avvalersi del kit di sviluppo RD3803MMA7660FC, che comprende la scheda di valutazione, la scheda figlia, l'applicazione PC e gli altri elementi necessari.

Per creare unità per la misura inerziale
STMicroelectronics ha recentemente presentato un giroscopio analogico ad alte prestazioni in un singolo package in grado di misurare con precisione la velocità angolare lungo i tre assi ortogonali. Grazie alla combinazione di ottima precisione, elevata stabilità e dimensioni ridotte, il giroscopio a tre assi della ST favorisce un'ampia diffusione delle interfacce d'utente con movimenti realistici, in qualunque tipo di applicazione di elettronica di consumo. Il sensore permette di rilevare la velocità angolare a 360°, per riconoscere con precisione movimento e gesti in uno spazio tridimensionale in applicazioni come telefoni cellulari, videogiochi, sistemi di navigazione personale e altri strumenti portatili. Unito a un accelerometro a tre assi, il più recente giroscopio della ST permette di creare unità per la misura inerziale: dispositivi in grado di tracciare e fornire informazioni complete sul tipo, velocità e direzione del movimento di esseri umani, veicoli o oggetti di altro tipo. Il nuovo e innovativo giroscopio offre contemporaneamente due uscite separate per ognuno dei tre assi: una uscita con escursione massima di 400 dps3 per misurare con precisione movimenti lenti, e la seconda con escursione massima di 1600 dps per rilevare e misurare movimenti e gesti molto veloci. Le due diverse uscite contemporanee con due differenti intervalli di escursione massima, uniti all'elevata risoluzione e alla stabilità eccellente nel tempo e in un campo di temperature molto ampio (da -40 °C a 85 °C), definiscono un nuovo standard per precisione, accuratezza e stabilità e semplificano l'integrazione del sensore a livello software e hardware. Il giroscopio a tre assi della ST può funzionare con qualunque tensione di alimentazione compresa tra 2,7 V e 3,6 V. Robusto e resistente agli shock meccanici, il giroscopio a tre assi della ST si basa sullo stesso processo manifatturiero che la ST ha già utilizzato con successo per oltre 600 milioni di accelerometri già venduti sul mercato.

Proiettori Tv per sistemi portatili
Una promettente applicazione dei Mems riguarda la realizzazione di proiettori televisivi per sistemi portatili, ad esempio telefoni cellulari evoluti. È noto che attualmente la crescita dei mercati legati a Internet e alla telefonia mobile è trainata dall'offerta di contenuti video; i display dei sistemi portatili, però, sono troppo piccoli per offrire una visione realmente soddisfacente. La soluzione può essere rappresentata appunto dall'impiego di un piccolo proiettore incorporato nel telefono, capace di produrre sulla parete più vicina un'immagine di grandi dimensioni. Un proiettore con queste caratteristiche è stato sviluppato da Microvision sfruttando tecnologie Mems. Il sistema è basato su un unico specchio oscillante che proietta un singolo punto luminoso; il movimento dello specchio consente di “coprire” l'intera immagine, riga dopo riga. La luce proiettata proviene da tre sorgenti laser (rossa, verde e blu) opportunamente miscelate per assegnare a ogni pixel il colore desiderato. Come ha spiegato Ian Brown, responsabile marketing della società, il sistema è in grado di proiettare un'immagine a colori della dimensione massima di cento pollici con risoluzione Wvga (848x480 pixel). L'impiego di sorgenti laser consente di fare a meno di lenti, assicurando la messa a fuoco a qualunque distanza senza alcuna regolazione. Il modulo proiettore misura 7x20x42 millimetri e può quindi trovare spazio all'interno di un telefono multimediale. Anche i consumi, secondo la società, sono compatibili con le esigenze dei sistemi portatili.

Il mercato degli accelerometri per telefoni cellulari
Secondo uno studio pubblicato all'inizio dell'anno dalla società di analisi iSuppli, si prevede che l'adozione degli accelerometri nei telefoni cellulari passerà da un valore di 220 milioni di dollari nel 2009 a 426 milioni di dollari nel 2010. “I ricavi globali generati da tutti i tipi di tecnologia Mems per telefoni cellulari raggiungeranno 1,3 miliardi di dollari entro la fine del 2012, un notevole aumento rispetto ai 299 milioni di dollari del 2007”, ha dichiarato Jérémie Bouchaud, direttore e capo analista Mems di iSuppli, aggiungendo: “L'elemento principale alla base di questo aumento è la crescente diffusione degli accelerometri nei sistemi elettronici portatili, dovuta alla domanda di interfacce utente avanzate basate, per esempio, su touch-screen e sul rilevamento dell'orientamento.”

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