Sensori sempre più smart

Il termine Smart Sensor fa riferimento a dispositivi dotati di elementi per il rilevamento di parametri di natura fisica o chimica e di funzionalità embedded di tipo logico, di calcolo e di comunicazione. Questi prodotti vengono utilizzati in uno spettro sempre più ampio di applicazioni, coprendo un novero di mercati che spazia dalla difesa all'industria, dall'automotive all'informatica, dall'home automation fino ai dispositivi indossabili di ultima generazione, protagonisti di un mercato che - entro il 2020 – arriverà alla ragguardevole cifra di 10,46 miliardi di dollari. La maggior parte dei sensori intelligenti viene realizzata sulla base di tecnologie Mems che combinano parti micromeccaniche e circuiti Cmos, dando vita a sistemi autonomi dotati di capacità di elaborazione talvolta sorprendenti. Per uno sviluppatore, arricchire un'applicazione con un sensore capace di rilevare grandezze di tipo analogico (per loro natura variabili e discontinue) è una sfida che implica un'attenta valutazione non solo delle caratteristiche tecniche del prodotto, ma anche della sua efficacia globale nel contesto di tutta la vita del progetto, dal concepimento alla messa in servizio. Lo Smart Sensor spesso rappresenta la parte che più condiziona l'architettura e le prestazioni del prodotto finale. Proprio per questo i clienti sono alla ricerca di fornitori partner in grado di garantire un approccio completo che, a prestazioni indiscutibili, affianchi tutti i supporti necessari per ridurre i tempi di sviluppo e facilitare l'integrazione applicativa. Questa esigenza si riflette in tutti gli stadi di vita di un sistema. In fase di sviluppo è utile poter contare su librerie di disegni di riferimento o di algoritmi preconfigurati e precollaudati, evitando così di progettare da zero funzioni di base già ampiamente consolidate. In fase di pianificazione, un maggior livello di integrazione consente di ridurre la distinta materiali e di semplificare il circuito. Durante la produzione è possibile ottenere un vantaggio immediato ricorrendo a soluzioni compatibili con i sistemi di pick-and-place standard e forniti secondo un ampio spettro di opzioni di packaging. Allo stesso modo, una volta sul campo, un prodotto che non necessita di ricalibrazioni particolari in quanto già garantito dal fornitore, offre enormi benefici economici in termini di investimenti, assistenza, commissioning ed esercizio. Un approccio così globale implica da parte del costruttore del sensore una profonda conoscenza non solo delle tecnologie di rilevamento, ma anche delle problematiche applicative che l'Oem può trovarsi ad affrontare nel corso della vita di un prodotto.

Sensori ad elevata precisione
Tali principi ispirano la strategia di Silicon Labs, fornitore globale di silicio e di soluzioni software concepite all'insegna della semplicità. L'offerta Silicon Labs si basa su sensori ad elevata precisione realizzati con una tecnologia low power che consente di combinare front-end e conversione analogico-digitale con una serie di risorse di elaborazione e calcolo concepite per garantire il massimo dell'integrazione. Il tutto è affiancato da un nutrito ecosistema di ausilî di sviluppo, ideati per facilitare la vita ai progettisti. Partendo proprio dagli strumenti di sviluppo è da segnalare la piattaforma Sensor-Puck, un sistema basato su sensori ottici Silicon Labs Si114x e sensori di umidità e temperatura Si701x/2x, nato per dimostrare le opportunità delle applicazioni ambientali e biometriche. Alimentata da una pila a bottone, questa piattaforma dimostrativa è controllata da un micro EFM32 Geko – sempre di Silicon Labs - ed è dotata di un modulo Bluetooth Low Energy (BLE) per il collegamento a una app gratuita residente su smartphone iOS o Android. Una delle linee più innovative della gamma Silicon Labs è rappresentata dai sensori digitali di temperatura Si705x. Caratterizzati da alte prestazioni e potenza ridotta, questi prodotti con risoluzione di 14 bit si rivolgono a un range di applicazioni che spazia dai sistemi IoT all'elettronica industriale. I dispositivi sono alloggiati in package DFN da 3x3 mm, sono precalibrati in fabbrica e mantengono la loro precisione di ± 0,2°C (typ) su tutto l'intervallo nominale di tensioni di alimentazione e temperature (da –40 a +125°C). Molte delle loro caratteristiche sono state concepite proprio all'insegna dell'efficacia applicativa. La possibilità di operare con tensioni da 1,9 a 3,6V consente di utilizzare più a fondo la batteria, mentre un assorbimento di soli 195nA a 1Hz di campionamento (oltre 200 volte in meno rispetto ad alcuni prodotti concorrenti) permette di aumentare l'autonomia del sistema. Rispetto alle soluzioni convenzionali a termistore o a RTD, questi sensori intelligenti consentono di ridurre la distinta materiali, contenendo consumi e ingombri. Un'altra linea all'insegna della semplicità e dell'integrazione è rappresentata dagli Smart Sensor Si7006/13/20/21 per umidità relativa e temperatura. Questi prodotti di seconda generazione combinano degli elementi di rilevamento calibrati in fabbrica e sono dotati di una serie di circuiterie di conversione digitale e di signal processing. Il dielettrico in polimero brevettato a bassa costante K garantisce precisione e stabilità a lungo termine, contenendo inoltre derive e isteresi. L'innovativo progetto Cmos offre i consumi più bassi del settore: 150μA di corrente attiva o 60nA di corrente di stand-by. I livelli di accuratezza arrivano a ± 0,3°C e a ± 2% RH su tutto il range nominale di temperature e di tensioni. La gamma prevede vari modelli. Le versioni Si7013/20/21 sono progettate per le applicazioni ad alta precisione (la Si7013 offre addirittura un ingresso ausiliario con linearizzazione programmabile per un sensore aggiuntivo) mentre la versione Si7006 indirizza le applicazioni tradizionalmente coperte dai sensori discreti. Anche in questo caso la tensione operativa minima di 1,9 V e la calibrazione di fabbrica che non richiede ulteriori processi di regolazione post-assemblaggio, contribuiscono a ridurre il costo di ownership. Rispetto ai progetti basati su componenti discreti, il ricorso agli Smart Sensors favorisce l'economicità e l'efficienza delle applicazioni, anche considerando i costi di gestione e di produzione e la ripetitività della misura, Silicon Labs ha sviluppato un filtro di copertura del sensore Cmos con una tecnologia igroscopica proprietaria. Questo filtro, disponibile su richiesta, permette il montaggio dei dispositivi con tecniche di reflow e garantisce una pulizia nel tempo del sensore, garantendo quindi la ripetitività della misura. Benché il costo iniziale dei dispositivi possa essere anche superiore alla media, nell'ambito di tutta la vita di un progetto l'integrazione offre una serie di vantaggi i cui effetti si riflettono su numerosissimi aspetti: dai consumi agli ingombri, dalla precisione alla stabilità nel tempo, dalla flessibilità di produzione al supporto.

Rilevamento del moto
Questo principio rappresenta la chiave di volta dell'offerta di sensori della californiana Invensense, in particolare della linea di system on chip Mems per il rilevamento del moto che fa riferimento alla famiglia MotionTraking. Questi dispositivi si differenziano per alcuni aspetti. Su tutto, spiccano la "vera" integrazione garantita dal processo Cmos-Mems della società e l'approccio system-level che combina su un unico chip le funzioni di rilevamento e quelle di calibrazione, elaborazione e ‘fusion’ dei sensori realizzate grazie ad un Digital Motion Processor che ha lo scopo di rendere possibile l’integrazione delle funzioni di rilevazione del movimento con il minimo sforzo progettuale ed in modo indipendente dalla piattaforma adottata. Altri aspetti all'insegna dell'efficacia di sistema sono rappresentati da una resistenza agli shock fino a 10.000g e dal profilo ribassato dei chip, che in generale risulta inferiore del 57% rispetto al concorrente più prossimo. Il catalogo di Invensense include dispositivi di rilevazione ad 1 solo asse (giroscopio) fino alla rilevazione di tutti i 9 assi (giroscopio accelerometro, magnetometro) in un’unica soluzione estremamente compatta e soprattutto gestibile dall’applicazione in modo semplice grazie a librerie software disponibili per svariate Mcu. A breve sarà disponibile anche una soluzione che, oltre alla rilevazione delle accelerazioni lineari e dei movimenti angolari, integra un sensore di pressione costituendo così una soluzione estremamente interessante per molte applicazioni industriali. Con un occhio particolare al contenimento dei consumi, nonché a una generale miglioria di svariati parametri funzionali, Invensense ha recentemente rilasciato ICM-20608 (giroscopio a 3 assi e accelerometro a 3 assi) con restituzione dei dati in modalità Raw. Rispetto ai prodotti di generazione precedente il dispositivo offre minor consumo, rumore ridotto del 20% e package più sottile del 17%. Oltre a tutta la circuiteria mixed-signal di front end e di conversione, questo smart sensor integra una Fifo da 512 Byte che permette di contenere il traffico dati sui bus seriali I2C e Spi d'interfaccia, riducendo l'overhead sul processore di sistema. Il giroscopio è programmabile (da ±250 a ±2000°/sec) e opera in modalità "duty-cycled", offrendo un taglio dei consumi che arriva anche al 50%. Parimenti, il valore di fondo scala dell'accelerometro è programmabile (±2g, ±4g, ±8g e ±16g), mentre la calibrazione della sensibilità iniziale effettuata in fabbrica permette di ridurre l'impatto sui requisiti di post-produzione. Tutti i prodotti sono accomunati da una tensione operativa che può scendere fino a 1,71 V, assicurando un'escursione che consente di "spremere" al massimo la batteria. Facendo leva sulle peculiarità dei prodotti è possibile dare vita a una serie infinita di applicazioni. Citando in particolare il sensore MPU3300 che ha caratteristiche estremamente spinte in termini di stabilità dei parametri in funzione delle variazioni di bias e di temperatura, nonché disponendo di un range termico operativo che arriva a +105°C, i sensori di grado Industriale trovano applicazione nella robotica, nell’agricoltura di precisione, nei sistemi di stabilizzazione di antenne e piattaforme, nella strumentazione di potenza, nei dispositivi a guida automatica nonché nei sistemi di assistenza alla guida in generale. Altri esempi applicativi si trovano in ambiti che vanno dal consumer al fitness, allo sport e in molti altri. Ad esempio grazie all'elevata resistenza agli shock tipica della tecnologia MotionTraking è stato possibile realizzare dei sistemi indossabili utilizzati per uno sport duro come il motocross; la precisione di +/- 4000 °/S del giroscopio del sensore a 3 assi ITG-3701 è stata sfruttata per realizzare un sistema che permette di tracciare i movimenti ad alta velocità nel golf, nel tennis o nel baseball; i 9 assi tracciati dall'MPU9250 hanno permesso di sviluppare un sistema biometrico che tiene sotto controllo 24 parametri fisici in stato di veglia o di sonno; l'ampio intervallo di alimentazione, le dimensioni ridotte e il basso rumore del sensore a 6 assi MPU6000 hanno consentito di installare il dispositivo direttamente a bordo dello stabilizzatore di un quadricottero giocattolo di fascia alta. Gli esempi sono innumerevoli e in costante crescita, a dimostrazione di come integrazione e approccio sistemistico favoriscano nuove applicazioni in settori un tempo preclusi.

Rilevamento audio
Una categoria di Smart Sensors che offre enormi prospettive è quella relativa ai segnali audio. Complementari in molte applicazioni ai sensori di movimento, i microfoni Mems stanno sostituendo e integrando i tradizionali microfoni electret nati negli anni 60, con innegabili vantaggi in termini di integrazione, prestazioni, flessibilità, stabilità dei parametri, durata e resistenza alle condizioni ambientali.
È utile sottolineare che questi sensori non sono orientati tanto alle applicazioni audio entry level - dove potrebbero essere penalizzati dal costo – quanto a un novero di applicazioni di fascia alta, sia tradizionali sia totalmente innovative, destinate ai sistemi industriali, agli elettrodomestici, alla sicurezza e così via.
Qui, le opportunità di declinare un segnale audio in un'azione sono numerose. Ad esempio, i sensori audio possono essere utilizzati per tenere sotto controllo la rumorosità dei cuscinetti di un motore, segnalando in anticipo la necessità di effettuare una manutenzione prima che si verifichi un guasto catastrofico. Altro esempio riguarda l'agricoltura, e in particolare la semina automatizzata, dove è possibile rilevare la presenza del seme semplicemente monitorando il rumore prodotto dal vento nel foro del terreno. Ancora, grazie a un sensore audio è possibile risalire a una perdita da una conduttura di gas, sopprimendo il rumore ambientale circostante. I grandi vantaggi associati alla tecnologia Mems sono la semplificazione delle attività di assemblaggio (grazie alla compatibilità con i processi di saldatura a riflusso) e l'immunità alle vibrazioni meccaniche, con benefici immediati sui costi finali. Le specifiche prestazionali correlate a range dinamico, immunità al rumore e sensibilità acustica fanno di questi prodotti delle soluzioni ideali anche per creare sistemi con caratteristiche differenziate, ad esempio in termini di direzionalità, pressione acustica, assorbimento di potenza e così via. I casi concreti non mancano. Grazie ai suoi 133dB Spl di sovraccarico acustico, il sensore audio INMP621 con uscita digitale Pdm (Pulse Density Modulated) di Invensense permette di dare vita a sistemi ad elevato range dinamico utilizzabili in ambienti rumorosi, come concerti o sale riunioni. Grazie al basso consumo, il modello ICS-40310 con uscita analogica offre invece un prodotto perfetto per i sistemi always-on alimentati a batteria, come microfoni per dispositivi mobili. Il modello analogico ICS-40720 garantisce infine un Snr di 70dB, circa 1,8 volte rispetto alla concorrenza, permettendo di rilevare suoni mascherati dal rumore circostante. Anche in questo caso, l'approccio sistemistico del fornitore permette di contare non solo su prodotti con caratteristiche avanzate ma anche su una serie di ausilî progettuali. Ai documenti formativi e ai servizi di supporto, si aggiungono infatti una serie di kit dimostrativi e di schede di valutazione che consentono di accelerare lo sviluppo evitando ai progettisti di reinventare l'acqua calda.

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