Sensori, una nuova sfida per l’industria dei semiconduttori

L’evoluzione dell’elettronica e delle sue applicazioni, senza alcun ombra di dubbio, è nella direzione dell’interazione fisica con il mondo esterno, inclusa l’interazione con l’uomo. L’interazione logica binaria non è più adeguata alla natura delle applicazioni emergenti in importanti ambiti generali come quello industriale e quello consumer, e in ambiti più specifici come quello dell’automotive, del medicale, dell’intrattenimento, ecc. Ciò significa che la vera sfida dell’elettronica non è più focalizzata sul digitale, ma che si sta spostando con peso sempre più preponderante verso l’analogica. La vera informazione esiste nel modo fisico sotto forma analogica, è molto più ricca di quella digitale e soprattutto impegna meno risorse di elaborazioni di quanto necessita invece l’informazione digitale. L’informazione digitale, e il relativo modello di interazione uomo-macchina basato sul concetto binario di interruttore on-off che ne è derivato, è ora insufficente a rappresentare e a far funzionare i nuovi paradimi applicativi che stanno emergendo in tutti i campi applicativi. Non basta la tecnologia, anche molto avanzata del mixed-signal di cui sono stati dotate le Mcu di ultima generazione per soddisfare esigenze applicative di interazione con il mondo fisico che richiedono la capacità del sistema di operare in modalità completamente automatica e in condizioni non collaborative. L’informazione analogica è molto più ricca di quella digitale e strettamente linguistica, ma necessita di tecnologie elettroniche della sensoristica che vanno oltre la semplice cattura dell’informazione (trasduzione). Il front-end analogico sensoriale o Asfe è la nuova frontiera tecnologia della microelettronica che porterà a innovazioni rivoluzionarie come il SoCA (System-on-Chip Analogico), ove la componente digitale sarà funzionale a quella analogica. L’integrazione e la relativa tecnologia giocano un ruolo fondamentale per il successo in questa sfida tecnologica che sta muovendo l’attenzione dei produttori di silicio dal digitale all’analogico. Una tecnologia chiave è l’emergente Tsv (Through-Silicon Via) per l’integrazione 3D. L’idea innovativa che ha portato alla tecnologia Tsv è stata stimolata dall’esigenza di superare i limiti sempre più evidenti della legge di Moore 2D e della tecnologia di stakcking 2.5D, per definire la terza dimensione (Z) per l’estenzione 3D della legge di Moore (la densità di integrazione può crescere anche in termini di spazio, oltre che di superficie). I sensori sono stati dubbio tra i primi dispositivi microelettronici a impiegare questa emergente tecnologia di integrazione 3D. Grazie a questa tecnologia è stato possibile ottenere quei vantaggi necessari all’innovazione tecnologia per lo sviluppo di sensori di nuova generazione che richiedevano bassissimo consumo di potenza elettrica, elevate prestazioni funzionali e dimensioni estremamente ridotte. I vantaggi principali di questa tecnologia riduardano sopattutto le prestazioni in termini di riduzione di R e C, di riduzione dei consumi di potenza elettrica, di aumento della velocità e di riduzione delle perdite di segnale con un conseguente aumento del rapporto segnale/rumore. L’impatto economico riguarda l’intero sistema, risultando anche più economico, oltre che dell’approccio wirebond/SiP in determinate applicazioni, anche dell’approccio SoC. L’industria dei semiconduttori guarda con molta attenzione a questa evoluzione della microelettronica, come dimostra la frenetica attività di ricerca e sviluppo di tecnologia sensoriale che rende disponibile off-the-shelf sensori ad elevato livello di integrazione, capaci di catturare informazioni di natura analogica che, prima, richiedevano realizzazioni elettroniche discrete incompatibili con la natura dei sistemi embedded di nuova generazione. Il caso di ams è emblematico per la sua focalizzazione sulla tecnologia dei sensori con un approccio di natura sistemistico e orientato alla integrazione di funzionalità di elaborazione dell’informazione sensoriale on-chip, utilizzando tecnologie di integrazione innovative come la Tsv.

Sensori ottici di nuova generazione

I sensori ottici si sono rivelati un’alternativa molto efficace rispetto alle soluzioni tradizionali relativamente ad aspetti come la compattezza, il costo, e il consumo di potenze elettrica. Anche relativamente a soluzioni di sensing più recenti come il sensing bioelettrico per le applicazioni medicali consumer (per esempio come alternativa al sensing bioelettrico), oppure di interfaccia uomo-macchina (per esempio riconoscimento dei gesti). Nati nella forma di componente discreto (fotodiodo e fototransistor), i sensori ottici si sono evoluti nel tempo grazie all’integrazione microelettronica che ha consentito di migliorare specifici requisiti come le dimensioni, il costo e i consumi di potenza elettrica, estendendone di conseguenza il campo applicativo. L’evoluzione dei sensori ottici ha comportato l’integrazione di intelligenza e la multifunzionalità, fattori di innovazione che hanno consentito di ottenere dispositivi funzionalmente molto complessi in moduli relativamente contenuti nelle dimensioni, fino all’attuale stato dell’arte dei SSoC (System Sensor on Chip). Il sensore TMD3782 di ams è stato ottimizzato per l'impiego nei dispositivi mobili per la rilevazione della luce ambientale, del colore Rgb e della prossimità, consentendo di portare su questa piattaforma di computing una serie di applicazioni innovative basate sul sensing ottico. Il sensore integrato nel TMD3782 consente, grazie alla misura dell’intensità della luce ambientale e del colore, di realizzare la funzionalità adattiva automatica nei dispositivi mobili relativamente al colore e alla luminosità. I filtri on-chip del TMD3782 riducono al minimo gli effetti dei raggi ultravioletti o infrarossi e permettono la rapida regolazione della risposta fotopica, migliorando così la fedeltà complessiva del rilevamento della luce e del colore. Il TMD3782 è in grado di rilevare la luce emulando il funzionamento dell'occhio umano. In tal modo viene ottenuto un controllo più sofisticato della luminosità e del colore suoi display. Infatti, il rilevamento combinato della luce ambientale e del colore consente di ottenere colori più brillanti sul display dei dispositivi mobili e un risultato visivo migliore nelle varie condizioni di utilizzo e di illuminazione. Il TMD3782 combina un sensore di luce ambientale, di colore e di prossimità, un Led a infrarossi e le lenti ottiche in un modulo da 3,9 x 2,4 x 1,4 mm. Con tali dimensioni risulta adatto per l'embedding su schede sempre molto sottili sottili e ad alta densità di componenti, tipico delle schede dei dispositivi mobili. Il sensore di prossimità integrato può essere utilizzato per semplificare l'interfaccia utente di un prodotto, ad esempio offrendo il controllo intelligente dell'accensione e spegnimento dello smartphone. Il sensore di prossimità integrato del dispositivo è in grado di misurare anche l’intensità della luce ambiente anche in condizioni falsate, per esempio nei tablet, rilevando quando la mano o il dito dell'utente ostacolano la luce diretta al sensore. Il rilevatore di prossimità è calibrato in fabbrica a una distanza di 100 mm: questo consente ai costruttori di evitare la calibrazione nel corso del processo produttivo, semplificando la costruzione del prodotto finito. I fotodiodi del sensore TMD3782 presentano una struttura radiale per creare una risposta angolare uniforme e ottimizzata per il montaggio sotto le lenti a 360° del modulo. Il sensore fornisce anche un campo visivo di 45° per una misurazione più ampia e più accurata delle condizioni di illuminazione ambientale. Quando le soglie predefinite di luce e colore sono oltrepassate, il sensore lo comunica al processore host attraverso un meccanismo di interruzione asincrona che consente di eliminare l’attività di interrogare a controllo di programma per interrogare lo stato del sensore. In tal modo vengono ottimizzate le prestazioni energetiche, riducendo i requisiti di potenza complessiva del sistema, e incrementando la durata della batteria. Il TMD3782 è un dispositivo di sensing del colore della luce dotato di quattro convertitori analogico-digitali che integrano la corrente proveniente dai fotodiodi. Questi sono organizzati geometricamente in maniera da ridurre la varianza della lettura come funzione dell’angolo di incidenza della luce. L’integrazione di tutti i canali di sensing del colore avviene contemporaneamente. Al completamento del ciclo di conversione il risultato è reso disponibile in un registro attraverso un’interfaccia digitale I2C ad alta velocità (fino a 400 kHz).

Gesture detection a basso costo e basso consumo

La gesture detection è una sfida su cui i vari produttori di circuiti integrati si stanno misurando tramite soluzioni intese a diminuire i costi e i consumi di potenza elettrica dei dispositivi mobili, oltre a ridurre la complessità degli algoritmi di rilevazione e di identificazione dei gesti. Una soluzione molto efficente è basata sui sensori di prossimità TSL 2772 di ams e tre Led a infrarosso. Considerando che gli attuali smartphone già utilizzano sensori di prossimità per determinare la condizione in cui il telefono è prossimo alla faccia dell’utilizzatore, la gesture detection non invasiva (senza tocco) implica solo l’aggiunta alla part-list del telefono di di tre semplici Led IR. Il sistema di riconoscimento dei gesti basato sul sensore e i tre Led IR consumano solo 0,007 W di potenza elettrica e occupano una superficie di scheda praticamente irrilevante. Se si considera questa soluzione in termini di costo e di dimensioni con soluzioni attualmente di riferimento come Kinect, i vantaggi che si evidenziano sono misurabili con parametri in rapporto a una o due cifre (per esempio in termini di costo dei componenti riuchiesti, il rapporto è di 3 dollari della soluzione basata sui dispositivi ottici IR contro i 56 dollari della soluzione Kinect).

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Demo board per il sistema di riconoscimento dei gesti basato sul sensore ottico TSL2772 di ams (nel cerchio blu) e su tre Led IR (nei cerchi rossi)

Il sensing di posizione on-chip elimina il processing Dsp

Il controllo motore, una delle attività più importanti di interazione con il mondo fisico, ha nel sensing di posizione un fondamentale elemento di efficenza funzionale. La precisione del sensing di posizione, soprattutto alle elevate velocità operative, è fondamentale per il successo dell’applicazione. A tale scopo si ricorre a soluzioni basate su Dsp che richiedono procoessori Application Specific come i Dsp per controllo motore. Si tratta di soluzioni particolarmente complesse e costose, soprattutto per ambiti applicativi ad elevato livello di embedding come quello automotive e dell’automazione. La nuova serie di sensori di posizione di ams AS5047D, AS5147 e AS5247, utilizzando la tecnologia Daec (Dynamic angle error compensation) sviluppata dalla stessa ams, riduce a livelli minimi (massimo +-0.17°) l’errore di misura attribuibile al ritardo di propagazione. Il Daec è un algoritmo brevettato che esegue internamente la compensazione dell’errore e risponde automaticamente alle variazioni di velocità di rotazione. Nella misura tradizionale dell’angolo di rotazione il ritardo tra la misura del campo magnetico e la relativa conversione in digitale è tale da creare un disallineamento tra la misura di posizione e l’effettiva posizione, la quale è sempre più evidente alle alte velocità di rotazione (un ritardo di 100 µs a 1.000 giri al secondo produce un errore di 1,2° che diventano 12° a 10.000 giri al secondo). Grazie all’implementazione on-chip dell’algoritmo di compensazione dinamica Daec, l’errore è ridotto a valori bassissimi compatibili con le applicazioni.

Il sensing di componenti chimici

Il sensing di componenti chimici, in particolare quelli gassosi, è fondamentale per il monitoraggio dell’ambiente e della persona in un’ampia gamma di applicazioni non solo a livello professionale, ma anche consumer. AppliedSensor (acquisita al 100% da ams) produce sensori di elementi chimici nell’aria che consentono di realizzare applicazioni di monitoraggio intelligente di ambienti industriali e civili (per esempio quelli domestici in contesti di home automation). Rispetto ai tradizionali sensori di CO2, questi innovativi sensori di componenti chimici gassosi, realizzati in tecnologia Cmos-Mems, realizzano il sensing di cosiddetti Voc (Volatile organic compund) come l’acetone, l’eptano, l’alcool, gli odori della cucina, gli effluenti biologici umani, la formaldeide, ecc., rendendo in tal modo possibili applicazioni di monitoraggio della qualità dell’aria negli ambienti. Il substrato sensore di gas è un Mems dotato di un sistema che permette di ottenere l’isolamento termico che richiede un livello basso di consumo di potenza (dai 2 ai 40 mW) e di dissipazione di calore, con dimensioni del chip di 2 x 2 mm per applicazioni automotive e di 1,6 x 1,6 mm per applicazioni consumer.

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Le dimensioni del chip sensore di gas è di 2 x 2 mm per applicazioni automotive e di 1,6 x 1,6 mm per applicazioni consumer

Boosting del Near Field Communication

La Near Field Communication è una importante tecnologia abilitante di applicazioni che implicano il trasferimento economico di dati tra due sistemi, semplice e a basso consumo, per abilitare numerose applicazioni tra cui quelle automotive (accesso, trasferimento dati per la personalizzazione, messa in moto, ecc.), del personal health control (frequenza cardiaca, glucosio, pressione del sangue, ecc.), dei pagamenti (Pos, carte di credito, biglietteria, ecc.) , degli accessi (logistici, telematici, informatici, ecc.). Questa importante tecnologia ha un limite intrinseco legato alla sua stessa natura, la prossimità che, fondamentalmente è di qualche centimetro tra il ricevitore e il trasmettitore, per dimensioni di antenna compatibili con la natura dei dispositivi cui è abbinata. ams ha sviluppanto una tecnologia di boosting che consente di aumentare di 10 volte la portata dell’antenna di un Nfc, oppure al contrario di diminuire la dimensione dell’antenna a parità di portata. Grazie a questa tecnologia è possibile integrare in dispositivi di piccole dimensioni (per esempio le Sim o le microSim e microSD card) la tecnologia Nfc, rendendola in tal modo immediatamente fruibile da parte nei dispositivi mobili per essere utilizzati nei sistemi di pagamento, ma anche in altre aree applicative come gli accessi.

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