I sensori di pressione sono ampiamente utilizzati in molti ambiti nel settore dell'elettronica. Negli ultimi vent'anni il settore automobilistico è stato uno dei principali utilizzatori di questi dispositivi. Lo sviluppo di nuovi sistemi applicati ai veicoli a combustione interna tradizionali, così come nei veicoli elettrici ibridi, richiede sistemi di controllo complessi. Attività come l'aspirazione di aria e la gestione dei gas di scarico, la frenata rigenerativa, la distribuzione del carburante, sistemi di controllo Esp e Abs si basano tutti sulla misura di pressione nella loro elettronica di controllo. Tutti gli osservatori prevedono che l'industria automobilistica continuerà a contribuire pesantemente alla crescita del mercato dei sensori di pressione. Molte tecnologie differenti sono state utilizzate finora per misurare la pressione in un ambiente automobilistico. Alcuni esempi includono gli estensimetri su substrati metallici e i sensori capacitivi e piezoresistivi che utilizzano materiali ceramici. Tuttavia, poiché nuovi scenari applicativi iniziano ad affermarsi, i limiti prestazionali di questi dispositivi stanno iniziando a diventare evidenti. Tipicamente i sensori realizzati in materiali ceramici o metallici sono utilizzati per misurare pressioni di molti bar mentre, per livelli di pressione sotto i 5 bar, i loro elementi sensibili diventano relativamente ingombranti e costosi. Conseguentemente vengono introdotte tecnologie di sensori più avanzate.
Per una maggiore efficienza nei consumi
La necessità di ridotti consumi di carburante, associata a una legislazione più stringente sulla regolamentazione dei gas di scarico, significherà che in futuro un crescente numero di applicazioni automobilistiche richiederanno l'acquisizione rapida e accurata di dati di pressione dettagliati. Ci sono numerosi fattori che suggeriscono di ricorrere più frequentemente ai sensori di pressione per realizzare veicoli più efficienti dal punto di vista dei consumi. Innanzitutto, ci sono i miglioramenti che i sensori consentono di ottenere nella gestione dell'aspirazione dell'aria nel motore. Collegando un sensore di pressione al collettore d'ingresso dell'aria, è possibile misurare la portata dell'aria. I progressi nella progettazione del motore impongono requisiti più stringenti ai sensori di pressione attuali. Ad esempio, la maggiore quantità di gas di scarico che viene fatta ricircolare nei condotti del motore rende più duro l'ambiente operativo per il sensore specificato. Vi è poi il sistema di distribuzione del carburante nel motore, in cui la necessità di un monitoraggio più accurato della pressione della linea del carburante sta spingendo al limite le condizioni di funzionamento dei sensori convenzionali, come ad esempio quelli che misurano pressioni molto elevate nel common rail dei motori ad iniezione diretta. Inoltre, la sempre più severa legislazione europea sulle emissioni di gas inquinanti, come gli NOx (ossidi di azoto) ed il particolato atmosferico, deve essere tenuta in conto. Al fine di eliminare gli NOx e il particolato, vengono creati speciali sistemi che richiederanno di nuovo l'uso di qualche forma di tecnologia di misura, spesso basata sulla pressione. I tipi principali di motori che generano il particolato sono basati sul diesel. Il modo più efficace di eliminare il particolato è quello di adottare un filtro antiparticolato. Il filtro è collegato al tubo di scappamento ed intrappola le particelle. I sensori di pressione vengono utilizzati per monitorare la caduta di pressione ai capi del filtro, in modo che la centralina di controllo del motore possa modificare le condizioni di combustione al fine di rigenerare automaticamente il filtro. La riduzione dei livelli di NOx è consentita dall'uso del sistema di ricircolazione dei gas di scarico che mescola i gas di scarico con aria fresca all'ingresso del motore. In altre applicazioni, i sistemi di riduzione catalitica selettiva permettono il mescolamento di urea con i gas di scarico per attivare una reazione chimica che converte gli NOx in composti non pericolosi. I sensori di pressione si occupano di controllare la quantità di urea mescolata e possono essere utilizzati anche per monitorare il flusso di gas di scarico ricircolanti. Infine, lo sviluppo di veicoli a trazione ibrida che utilizzano sistemi start-stop sta riducendo o addirittura eliminando la depressione al condotto di aspirazione del motore durante la condizione di stop. La depressione dell'aspirazione del motore è utilizzata nel servofreno per assistere il pilota in frenata. Diventa importante disporre di un monitoraggio accurato del livello di depressione dei freni al fine di attivare una pompa ausiliaria quando la depressione naturale del motore non è sufficiente per il corretto funzionamento del servofreno.
Migrazione alla tecnologia Mems
Aprendosi nuove opportunità di applicazione per i sensori di pressione nell'ambito della progettazione automobilistica, gli svantaggi della tecnologia convenzionale diventano sempre più evidenti. Il loro ingombro e costo unitario relativamente elevato pongono delle limitazioni sul loro impiego. Per una vasta fetta di applicazioni, i sensori di pressione tradizionali risultano semplicemente non adatti. Poiché alcune nuove applicazioni per i sensori di pressione in ambito automobilistico lavorano sotto i 5 bar, sono affrontabili più efficacemente ricorrendo a sensori di pressione miniaturizzati. Conseguentemente i dispositivi microelettromeccanici stanno trovando una diffusione maggiore in questo campo. Melexis ha sviluppato un'innovativa tecnologia Mems proprietaria che consiste in membrane miniaturizzate spesse solo pochi micron e lunghe qualche centinaio di micron, le quali possono essere scavate in maniera affidabile sopra una fetta di silicio in un passo di lavorazione post-Cmos. Durante il processo di lavorazione del semiconduttore, in aggiunta alla circuiteria attiva, alcune piezo-resistenze sono impiantate nel punto di massima sensibilità sulle membrane per formare un ponte di Wheatstone. Quando questa membrana microlavorata rileva un campo di pressione, si flette di conseguenza. I piezo resistori convertono lo stress meccanico sulla membrana in un segnale elettrico, che viene poi elaborato dai circuiti di condizionamento del segnale fabbricati sullo stesso circuito integrato. Lavorando con una tecnologia Mems che è totalmente compatibile con i processi Cmos, è stato possibile creare un sensore monolitico in cui l'elemento sensibile può essere posizionato molto vicino all'elettronica di condizionamento del segnale. Le tecnologie convenzionali basate su substrati ceramici o metallici non consentono di realizzare l'elettronica di condizionamento del segnale sullo stesso substrato, così ci saranno sempre alcuni millimetri tra l'elemento sensibile e il condizionamento. Ciò rende più difficile progettare un sensore che sia sufficientemente robusto per sopportare forti livelli di interferenze elettromagnetiche e che possa garantire l'integrità globale del segnale necessaria. Lo sviluppo di un processo Mems che sia completamente compatibile con una memoria Eeprom significa che è anche possibile supportare diverse configurazioni, come l'impostazione indipendente di funzioni diagnostiche per condizioni di sovra o sotto-tensione di alimentazione e condizioni di sovra e sotto-pressione, o livelli di clamping programmabili ed impostazioni selezionabili di filtri digitali per ridurre ulteriormente il rumore in uscita o aumentare il tempo di risposta del sensore.
Un dispositivo robusto
per la misura della pressione
Grazie alla sua tecnologia basata su Mems piezoresistivi, Melexis è stata in grado di introdurre un robusto prodotto di misura della pressione. Il dispositivo MLX90809 ha la capacità di affrontare un ampio spettro di applicazioni di misura della pressione all'interno degli esigenti ambienti automobilistici che richiedono elevate prestazioni, una realizzazione robusta e un funzionamento affidabile. Si tratta di un dispositivo ottimizzato per misure entro l'intervallo di 1 bar, ottenendo un'accuratezza molto elevata sull'intervallo di temperature di funzionamento esteso. Elevati livelli di prestazioni sono stati raggiunti integrando l'elemento sensibile Mems con un front-end analogico a basso rumore e un convertitore analogico-digitale sigma delta a 16 bit. Questa catena analogica esegue l'amplificazione e la compensazione dell'offset dell'elemento sensibile. Il dispositivo MLX90809 include anche un microcontrollore a 16 bit che si occupa della compensazione in temperautra dell'elemento sensibile e di gestire le funzioni diagnostiche richieste in applicazioni critiche dal punto di vista delle sicurezza. Una memoria Eeprom da 32 byte completamente programmabile può essere utilizzata per immagazzinare le impostazioni di compensazione e configurazione del sensore. Esso può fornire i dati di pressione attraverso una tensione d'uscita analogica, sotto forma di rapporto rispetto alle tensioni di alimentazione, oppure utilizzando il protocollo digitale Sent (Single edge nibble transmission). Il dispositivo MLX90809, pienamente conforme alle specifiche Aec Q100, viene assemblato in un compatto contenitore plastico prestampato. Una speciale tecnologia di stampo della cavità è stata sviluppata per creare un package robusto ed economico. Un rivestimento di gel copre il lato anteriore del dispositivo per proteggerlo durante i processi di produzione, agendo anche da protezione aggiuntiva per il condotto di aerazione atmosferica in modalità operativa gauge o extra protezione del lato frontale nella modalità completamente differenziale. Approfonditi test di compatibilità con i materiali sono stati svolti sull'integrato per garantire che possa sopportare il contatto con i tipici contaminanti tipici dell'ambiente automobilistico (carburante, olio, ecc…).
Sistemi di frenata avanzati
Una delle più importanti applicazioni del dispositivo MLX90809 è nell'ambito dei sistemi di frenata avanzati che vengono montati sugli autoveicoli moderni. Come già indicato, nelle condizioni di start-stop del veicolo, quando il motore viene spento, è importate essere in grado di monitorare la depressione all'interno del servofreno, in quanto la fonte naturale di depressione del collettore di aspirazione del motore viene oggi sostituita in molti casi da una pompa ausiliaria. Questa pompa deve essere attivata per generare la depressione necessaria. La forza di frenata applicata dal servofreno è direttamente proporzionale al livello di depressione nel circuito del servofreno rispetto alla pressione atmosferica. Monitorando il livello di depressione nel servofreno con un sensore di pressione relativa, la centralina elettronica può sapere quando accendere o spegnere la pompa ausiliaria. Poiché il dispositivo MLX90809 è un sensore Mems di pressione relativa molto sensibile e accurato, ottimizzato per un fondoscala di depressione di 1 bar, è perfettamente adeguato per questo tipo di applicazioni. Inoltre, la sua elevata integrità del segnale si adatta ottimamente ad applicazioni in cui l'affidabilità dell'informazione sia di vitale importanza per evitare situazioni di pericolo. In conclusione, è chiaro che la tecnologia Mems costituirà una fetta crescente del mercato dei sensori di pressione automobilistici nei prossimi anni. Le prestazioni ottenibili e l'elevato livello di integrazione che offre rispetto ai componenti convenzionali per la misura della pressione ne favoriranno la diffusione sempre maggiore via via che nuove applicazioni molto esigenti saranno incorporate in tutti i tipi di veicoli, sia di alta che di bassa gamma.
