I sensori inerziali, soprattutto a seguito dell’introduzione della tecnologia Micro-Electro Mechanical Sistems (MEMS) che ne ha consentito la produzione in grandi volumi, rappresentano la classe di maggiore sviluppo, di maggiore integrazione e di più funzionalità applicativa.

I primi dispositivi sensoriali di natura inerziale sono stati sicuramente gli accelerometri che, grazie alla tecnologia MEMS, sono stati per la prima volta integrati in package particolarmente piccoli e particolarmente economici. Prodotti in grandissimi volumi, hanno pervaso i sistemi di natura Handheld come i palmtop computer, i dispositivi di comunicazione vocale intelligenti (smartphone), le console dei videogiochi, la strumentazione di monitoraggio ambientale e delle infrastrutture, i dispositivi di automazione della sicurezza nel campo automotive, ecc.

A questa prima generazione di sensori inerziali è seguita una nuova generazione di dispositivi che, sempre sfruttando le potenzialità della tecnologia MEMS, utilizzavano altre proprietà della fisica idonee a implementare funzioni di trasduzione applicabili alla sensibilxità al movimento: accelerometri a elevato g, accelerometri angolari, giroscopi, tuning fork giroscope, vibrating wheel giroscope, wine glass resonator giroscope, Foucault pendulum giroscope.

A questa seconda ondata di sensori inerziali hanno contribuito l’impiego massiccio e congiunto della tecnologia MEMS e della tecnologia CMOS-ASIC.

Accelerometri

L’accelerometro è un sensore capace di misurare l’accelerazione calcolando la relazione che lega la massa in movimento rispetto alla forza che ne determina il movimento (si tratta quindi di una misura di forza per unità di massa). Il sensore accelerometro è dunque il risultato dell’applicazione di leggi della fisica meccanica utilizzando le tecnologie allo stato dell’arte. Il vero salto tecnologico che ha portato il sensore accelerometro a essere uno dei componenti elettronici più prodotti al mondo si ebbe alla fine degli anni ’90 quando un gruppo di sviluppo italiano di STMicroelectronics ebbe l’intuizione che la tecnologia Micro-Electro Mechanical Systems, che in quegli anni stava dimostrando tutta la sua potenzialità poteva essere vantaggiosamente applicata per la realizzazione dei sensori accelerometrici ottenendo dispositivi di dimensioni tanto piccole da essere compatibili con lo scaling dimensionale con cui si stavano caratterizzando i sistemi computazionali di nuova generazione (palm-top, hand-held, pocket-computer e gli ormai imminenti smartphone). L’ulteriore intuizione riguardò la collocazione applicativa di questo sensore di movimento, cioè relativa alla realizzazione dell’interfaccia uomo-macchina (HMI), che trovò nel settore dei videogiochi l’applicazione ideale, per poi dilagare nel settore degli smartphone e dei tablet per il controllo automatico dell’orientamento e e della comunicazione gestuale.

A questa prima prolifica stagione di sviluppo e applicazione dei sensori accelerometrici è seguita una successiva stagione di innovazione che ha portato ad aumentare la precisione di misura, a ridurre i costi e le dimensioni e ad aumentare il livello di integrazione, per soddisfare il mercato automotive per le applicazioni di sicurezza come ABS (Anti-lock Braking System), ESP (Electronic Stability Program), ESC (Electronic Stability Control), VDC (Veicle Dynamic Control), Airbag, Sospensioni attive, ecc., aumentando la gamma delle accelerazioni (g) misurabili e integrando le funzioni microelettroniche nello stesso package.

Sono state esplorati vari meccanismi fisici per l’implementazione della trasduzione come il capacitivo, il piezoresistivo, l’ottico, l’elettromagnetico, il ferroelettrico, per una ottimale integrazione in tecnologia MEMS, con l’obiettivo di ottenere un comportamento di traduzione maggiormente lineare, più stabile, più accurato, minore rumorosità e una maggiore banda.

Un’evoluzione ulteriore nello sviluppo degli accelerometri è stata determinata dall’integrazione di altri sensori inerziali come i giroscopi e di sensori di differente tipologia come i sensori di pressione (altimetri), i sensori acustici (microfoni), i sensori di direzione (magnetometri), per ottenere un superset sensoriale per le applicazioni di navigazione automatica. L’integrazione di sensori inerziali con altre tipologie di sensori è stata ottenuta in termini di moduli (System-in-Package) ad altissima densità di integrazione come iNEMO di STMicroelectronics, una famiglia di moduli che integrano tipi di sensori complementari (accelerometro, giroscopio, magnetometro) fino a 9 assi e la microelettronica necessaria a supportare l’elaborazione come gli algoritmi di data-fusion basati sul filtraggio Kalman e il Machine Learning basato su un in-sensor classification engine che consente di alleggerire il carico computazionale del main processor e del centralized computing (cloud) nelle applicazioni di rete (edge computing).

Un altro caso di integrazione di sensori inerziali con altri sensori complementari fino a 12 gradi di libertà è stato quello della piattaforma NXP FRDM-FXS-MULTI-B che consente di eseguire il sensor-data fusion a 9 assi in congiunzione con una delle schede processore della famiglia FREEDOM.

Accelerometri a elevato g

Pur rappresentando una nicchia applicativa, i sensori inerziali accelorometrici ad elevato fattore g sono interessanti per l’industria in settori applicativi come l’automotive (crash test) e l’avionica (vettori di lancio satelliti), ove nel caso automotive i requisiti di fattore g è dell’ordine delle centinaia di g, mentre nel caso dell’avionica è dell’ordine dei centomila g. Indubbiamente si tratta di fattori g molto elevati rispetto all’offerta tecnologica dei sensori accelerometrici allo stato dell’arte.

Relativamente al campo automotive accelerometri ad elevato fattore g sono disponibili come componenti off-the shelf, come il H3LIS331DL di STMicroelectronics capace di misurare selettivamente accelerazioni di ±100 g/±200 g/±400 g e di sopportare sollecitazioni da 100.000 g.

Il riconoscimento di un impatto, un urto, una collisione richiede la misura dell’ampiezza di picco dell’evento e della sua larghezza. Questo tipo di evento viene prodotto da collisioni, da movimenti di parti meccaniche di macchine industriali, ed è caratterizzato da elevato fattore g e una dipendenza dalla natura fisica della superficie di impatto. Ciò implica oltre a una capacità di misura di un fattore g elevato (dell’ordine delle centinaia) anche di una capacità di preprocessare la misura relativamente alle sue caratteristiche di ampiezza e larghezza.

L’accelerometro ADXL375 di Analog Devices, oltre a misurare fattori g fino a ±200 g, monitorizza l’evento relativamente ai tre assi determinandone la direzione con elevata precisione.

Giroscopi

I giroscopi sono sensori inerziali finalizzati alla misura del movimento angolare (velocità angolare). Il principio fisico di riferimento è l’effetto Coriolis. Molte sono le tipologie di giroscopi relativamente alla modalità implementativa: tuning-fork, wine-glass, Focault pendulum, oscillating wheels.

I giroscopi sono impiegati nei sistemi di controllo della stabilità in combinazione con i sensori inerziali lineari (accelerometri), per esempio in campo fotografico e in campo automotive.

Il giroscopio fornisce la misura della velocità angolare tramite una tensione proporzionale misurata in millivolt per grado per secondo (mV/°/s). Per esempio, per monitorare la velocità di curva di un autoveicolo, un giroscopio viene montato nell’autoveicolo per rivelare la perdita di controllo conseguente alla velocità di curva e attivare il sistema di azionamento differenziale delle ruote motrici per mantenere la stabilità in curva.

I giroscopi della famiglia ADXRS di Analog Devices ADXRS150 e ADXRS300 integrano anche tutta l’elettronica di condizionamento del segnale necessaria in un package di 7×7×3 mm con un consumo di potenza di di 30 mW.

Non solo sensing

Il monitoraggio dei processi basato sul sensing e la manutenzione predittiva è una delle più promettenti innovazioni tecnologiche che produrranno benefici relativamente ai costi industriali, alla sicurezza sul lavoro, all’efficienza energetica. Si tratta di un problema molto complesso cui lo sviluppo dei sensori inerziali può dare un notevole impulso consentendo la realizzazione di sistemi embedded autonomi, altamente affidabili, e soprattutto autonomi. Ciò implica l’integrazione di intelligenza e comunicazione intorno al sensore tale da consentire di disporre a livello embedded delle funzioni di monitoraggio continuo, efficiente e affidabile delle vibrazioni. La sola capacità di sensing non è sufficiente per soddisfare i requisiti di un sistema di monitoraggio dei processi e della relativa manutenzione preventiva. Intelligenza embedded, comunicazione, connettività avanzata e autodiagnostica, sono le nuove prerogative e capacità che i dispositivi sensoriali devono acquisire. Cosa succede se è il sensore ad essere malfunzionante in un sistema di monitoraggio di malfunzionamento di processo? È indubbiamente una parte critica dell’intero problema che il sistema di sensing è finalizzato a risolvere. L’affidabilità del sistema di monitoraggio non può prescindere dalla possibilità di test remoto o self-test del sensore e di un affidabile sistema di comunicazione che consente la verifica a distanza della funzionalità dei sensori. Ovviamente, queste funzionalità sono possibili in forma pratica ed efficiente solo per i sensori in tecnologia MEMS la quale consente di integrare la necessaria funzionalità mixed-signal per il self-test.

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I sensori inerziali accelorometrici ad elevato fattore g sono interessanti per l’industria in diversi settori applicativi

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