La continua evoluzione dell'elettronica di consumo ha contribuito alla nascita di una nuova generazione di dispositivi in grado di integrare in modo efficiente tutte quelle funzionalità associate ai movimenti dell'utente. In questo contesto tecnologico il mercato high-tech ha portato alla nascita di smartphone e tablet, dove accelerometri, magnetometri e giroscopi sono utilizzati per ricostruire la posizione del cellulare e i gesti dell'utente nello spazio. Alcuni esempi di queste funzionalità sono la rotazione dell'immagine sullo schermo o la possibilità di utilizzare il telefono o il tablet come controller per giochi.
La diffusione e l'evoluzione degli smartphone e dei tablet richiedono sempre più sensori caratterizzati da piccole dimensioni, con capacità e prestazioni sempre più evolute per fornire all'utente una maggiore gamma di funzionalità, come la navigazione all'interno degli edifici o la stabilizzazione delle immagini. La navigazione al di fuori degli edifici può essere facilmente compiuta basandosi sul segnale Gps, ma quando questo è debole o assente, nuovi algoritmi devono essere sviluppati. Basandosi sulla presenza di sensori di movimento, e in particolare sul giroscopio, è possibile ricostruire il percorso effettuato all'interno degli edifici, fornendo un'indicazione affidabile all'utente. La stabilizzazione delle immagini, invece, permette di ridurre l'effetto “mosso” presente nelle fotografie scattate utilizzando un tempo di esposizione molto lungo. Questa comune distorsione dell'immagine può essere ridotta utilizzando un giroscopio: i movimenti e le vibrazioni introdotte dal fotografo vengono riconosciute e acquisite dal sensore che in seguito invia queste informazioni a un controller che compensa i movimenti involontari e stabilizza l'immagine. Fino ad oggi nel mercato non ci sono giroscopi che contemporaneamente permettono sia di riconoscere un movimento, ovvero giroscopi per UI (User Interface), sia di stabilizzare le immagini, ovvero giroscopi per IS (Image Stabilization). I sensori per il riconoscimento dei gesti e dei movimenti sono caratterizzati da full scale nell'ordine dei 1000-2000dps (gradi al secondo), frequenze di aggiornamento dei dati fino a qualche centinaia di Herts e bande di decine di Herts. Per quanto riguarda la stabilizzazione delle immagini è necessario un giroscopio con un full scale inferiore ai 100 dps che, oltre ad avere un livello di rumore molto basso, permetta anche di acquisire dati con un rate di circa 10 kHz, bande di centinaia di Herts e un phase delay ridotto. Grazie a un nuovo approccio, STMicroelectronics ha introdotto sul mercato un giroscopio, L3G4IS, che permette di supportare applicazioni di user interface, e contemporaneamente la stabilizzazione delle immagini. L'integrazione di L3G4IS riduce la complessità, le dimensioni e il costo dei nuovi dispositivi ultra-portatili ed abilita le funzioni necessarie nelle prossime generazioni di smartphone e tablet. L'architettura di questo nuovo giroscopio “dual core” è caratterizzata da un sistema in un solo package che utilizza un singolo elemento meccanico Mems ed un unico Asic. Alla base di questo nuovo design del Mems c'è la medesima tecnologia, ThELMA (Thick Epitaxial Layer for Microactuators & Accelerometers), che ha permesso a STMicroelectronics di acquisire la leadership nel mercato consumer dei sensori Mems. L'utilizzo di un processo tecnologico consolidato e di successo come il ThELMA permette di produrre giroscopi in elevati volumi garantendo le performance richieste dal mercato ed eccellenti performance e stabilità a fronte di variazioni di temperatura e stress meccanici, senza scendere a compromessi sulla qualità del prodotto. L'elettronica necessaria a controllare e acquisire le velocità di rotazione a cui è sottoposto il sensore è implementata in un singolo Asic, in cui due catene di lettura dedicate permettono di ottimizzare la risposta del sistema sia per la parte di UI che di IS.
Un giroscopio, tante funzioni
Sebbene caratterizzati da un'architettura simile, i due rami di lettura del dispositivo sono ottimizzati per fornire le performance richieste dall'applicazione corrispondente. In particolare, entrambi utilizzano un multiplexer per connettere il segnale generato dal Mems sui tre assi ad una sola catena di lettura per ogni ramo: UI ed IS. A valle del multiplexer un primo stadio traduce in tensione le variazioni di capacità generate dal sensore quando sottoposto a una rotazione, tensione che poi viene amplificata nei blocchi successivi e convertita tramite un Adc. Le due catene di lettura hanno specifiche e caratteristiche tecniche molto diverse. In particolare, la parte UI permette l'utilizzo di diversi full scale selezionabili dall'utente: ±250dps, ±500dps e ±2000dsp, frequenze di lettura selezionabili, da 95Hz a 760Hz. Inoltre, la presenza di una Fifo a 32 livelli, programmabile in cinque modalità, permette di implementare sistemi avanzati di riconoscimento del movimento anche in sistemi in cui la frequenza di campionamento è limitata, come ad esempio nei sistemi Android. La parte per la stabilizzazione delle immagini è caratterizzata da un range dinamico di ±65 dps, banda selezionabile tra 120Hz e 370Hz e un data rate di 9.5kHz.
Seguendo l'approccio tipico per i telefoni cellulari e dispositivi portatili, l'interfaccia I2C è stata usata per la catena UI, mentre per le applicazioni IS è stata scelta l'interfaccia Spi garantendo una comunicazione rapida. In questo modo, il giroscopio “dual core” fornisce due interfacce di uscita diverse in conformità agli standard del mercato e, allo stesso tempo, permettendo l'accesso ad entrambe le funzionalità nel medesimo istante. L3G4IS è caratterizzato da due tensioni di alimentazione indipendenti per la parte UI e IS. Questo permette di gestire indipendentemente l'abilitazione delle funzionalità e, quindi, adattare il consumo di corrente alle esigenze dell'applicazione. È inoltre possibile accendere la parte UI o OIS tramite software in quelle applicazioni dove non è possibile rimuovere la tensione di alimentazione quando una delle funzionalità non è necessaria. Un ulteriore risparmio energetico è ottenibile grazie alla Fifo nella catena di lettura UI: i dati non devono essere letti continuamente, ma è possibile accumulare fino a 32 livelli prima di trasferire i dati al processore. Grazie all'introduzione di L3G4IS, e alla sua innovativa architettura ST, i produttori di apparecchiature possono utilizzare un solo giroscopio per realizzare funzioni diverse riducendo le dimensioni, la complessità del sistema e il costo di telefoni cellulari, di tablet e di altri “smart gadget”.
