Un mondo di sensori e Mems

Secondo uno degli ultimi rapporti previsionali relativi degli sviluppi tecnologici di Internet of Things, per il 2024 ci saranno 86 miliardi di dispositivi connessi. Questi dispositivi riguarderanno sia il mondo consumer, sia quello industriale, in tutte le accezioni applicative, dall’automazione alla comunicazione, dal benessere e salute alla mobilità privata e pubblica. Alla base di questo enorme sviluppo ci sarà un’incredibile proliferazione di sensori e dispositivi micro-elettro meccanici, integrati negli altrettanto innumerevoli dispositivi e sistemi interconnessi, come i dispositivi indossabili, i dispositivi mobili e anche quelli fissi: accelerometri, giroscopi, magnetometri, sensori di temperatura, di pressione, di luminosità, di altitudine, ecc. Internet of Things sta evolvendo in accordo con l’ormai inarrestabile tendenza a connettere tutto con tutto, per cui Internet of Things sta evolvendo verso Internet of Everythings, cioè tutto connesso con tutto. I sensori, in questo paradigma combinatorio dello sviluppo della tecnologia dei prossimi 10 anni, rappresentano la tecnologia fondamentale per la creazione di uno spazio applicativo praticamente illimitato.

Sensori ottici Time of Flight
Il sensing ottico si sta rivelando una delle tecnologie sensoriali che consentono di realizzare applicazioni prima basate su sensori di altra natura, meno pratici ed efficaci. Per esempio, con il processo ottico, FT Systems ha realizzato un sistema (L.Sensor.O2) di misurazione dell’ossigeno nelle bottiglie di vino in fase di imbottigliamento. Il vantaggio del metodo ottico sugli altri metodi è che risulta non invasivo, quindi dopo la misura la bottiglia mimane nel ciclo di produzione a differenza degli altri sistemi che sono invece distruttivi, cioè la bottiglia ispezionata va eliminata dalla produzione. Oltre alle tradizionali tecnologie di sensing ottico basate su emettitori di luce laser o Led, si stanno sviluppando nuove tecnologie di sensing ottico come per esempio quelle cosiddette di “tempo di volo”. STMicroelectronics ha sviluppato il dispositivo VL6180 FlightSense, un chip che integra in un piccolissimo package un emettitore all’infrarosso che emette impulsi luminosi, un sensore ultraveloce di luce che cattura gli impulsi di luce riflessi e una circuiteria elettronica che misura con elevata precisione la differenza di tempo fra l’emissione e la ricezione dell’impulso. Grazie a questo tipo di sensore di ridottissime dimensioni è possibile integrare per esempio negli smartphone la funzionalità di rilevazione della vicinanza della faccia al telefono all’atto della chiamata. In tal modo la frequenza delle chiamate perse per caduta della comunicazione dovuta a una chiusura della comunicazione per il contatto con il touchscreen.

3D Time of Flight Imaging
La tecnologia Time of Flight consente di realizzare imaging 3D utilizzando una sorgente attiva di luce modulata. Nel metodo ToF la scena viene illuminata dalla luce modulata e si misura lo spostamento di fase tra la parte illuminata e la riflessione, traducendoli in una misura di distanza. La sorgente di luce è un laser allo stato solido con emissione nella gamma dell’infrarosso (850 nm). Il sensore di immagini è sensibile nella gamma di spettro dell’emettitore ed esegue la trasduzione opto-elettronica. Texas Instruments ha sviluppato un chipset di sensing 3D basato sul principio del ToF. In questo chipset è incluso un sensore 3D che implementa la tecnologia pixel DepthSense di SoftKinetic finalizzata alle applicazioni di tracking ad alta precisione di parti in movimento come le persone e le sue parti (mani e dita).

Sensing biometrico
Un campo applicativo del sensing ottico è quello relativo alle misure di natura biometrica, frequenza cardiaca, percentuale di ossigeno nel sangue, umidità della pelle, ecc. per applicazioni di medical consumer e wellness. In questo ambito applicativo il sensing ottico ha permesso di realizzare applicazioni di natura non invasiva e indossabile (smart-wrist, smart-watch, smart-glass, ecc.) dotati di sensori ottici per le misure di parametri fisiologici (frequenza cardiaca, ossimetria, ecc.). I dispositivi di sensing sono moduli che integrano sia i dispositivi di stimolazione ottica (Led) sia i dispositivi di rivelazione ottica, i fotorivelatori. Dato che la natura del segnale ottico misurato è tale da richiedere elaborazione di segnale, su tali moduli è integrata anche la necessaria circuiteria mixed-signal per la conversione in digitale del segnale e quella di elaborazione numerica del segnale per l’esecuzione di algoritmi di filtraggio e condizionamento del segnale. La connettività verso un sistema host di elaborazione è implementata sullo stesso modulo in termini di interfaccia seriale Spi o I2C. Analog Devices ha sviluppato il modulo di piccole dimensioni ADPD142RG/RI, che integra sia la parte ottica (due led e un fotodiodo), sia la parte analogica, mixed-signal e digitale. Il modulo di piccole dimensioni può essere integrato in dispositivi indossabili come braccialetti, orologi o cinture, per monitorare segnali fisiologici vitali come la frequenza cardiaca, la percentuale di ossigeno nel sangue e altri parametri fisiologici.

Sensing di gesto, colore e prossimità
Il sensing ottico si presta a molteplici applicazioni che riguardano l’interazione sia uomo-macchina, sia ambiente-macchina. Il riconoscimento dei gesti, del colore e della prossimità consentono di sviluppare applicazioni che eliminano nella funzionalità dell’interfaccia il contatto fisico e le componenti meccaniche. Ams ha sviluppato il sensore TMG3992, un dispositivo di piccolissime dimensioni (2.0 x 3.95 x 1,36 mm) che incorpora anche un Led IR e il driver. Si tratta di un system-on-chip in quanto integra tutta la funzionalità necessaria alle tre funzioni, gestuale, colore e prossimità, dedicando ad ognuna di queste funzioni un motore alimentato da informazioni provenienti dagli specifici sensori. Per la rilevazione dei gesti utilizza quattro diodi direzionali per rilevare l’energia riflessa IR (generata dal Led integrato) trasformandola in informazione di movimento. Il dispositivo integra un completo sistema gestuale che si attiva in base alla prossimità, esegue la sottrazione della luce ambiente, cancella l’effetto cross-talk, converte in dati a 8 bit, bufferizza e comunica con l’application processor via I2C. La rilevazione della prossimità viene eseguita dal proximity engine sulla base della luce riflessa dagli oggetti illuminati dal Led IR. L’evento di prossimità viene comunicato al processore applicativo via interrupt quando viene superata un soglia programmata.

Sensori Mems
La tecnologia Micro-ElectroMecanical Systems ha rivoluzionato il mondo dei sensori sotto vari aspetti sia di natura funzionale, sia di natura strutturale. La miniaturizzazione è sicuramente uno dei principali vantaggi della tecnologia Mems in quanto le parti meccaniche del sensore possono essere realizzate in dimensioni di scala micrometrica. La miniaturizzazione inoltre minimizza molte delle problematiche di non linearità dei sensori, potendo in questo caso ottenere più facilmente il comportamento ideale del sensore. Un altro vantaggio dei Mems sta nell’elevata densità di integrazione e quindi la possibilità di integrare nello stesso dispositivo tutte le funzionalità necessarie ad ottenere un sensore non solo idealmente lineare, ma anche intelligente, cioè capace di fornire valori misurabili solo quando questi sono attendibili.

Microfoni Mems
I microfoni Mems sono il caso più emblematico di innovazione dei sensori tramite la tecnologia Mems. I microfoni Mems hanno caratteristiche che possono soddisfare tutte le applicazioni audio dove il fattore miniaturizzazione è fondamentale, per esempio in applicazioni biomedicali, nelle cuffie con cancellazione del rumore ambientale, ecc. MP34DF01 di STMicroelectronics è un microfono Mems ultracompatto, omnidirezionale e digitale, basato su elementi sensoriali capacitivi e con interfaccia digitale. L’elemento sensoriale della pressione acustica è realizzata con processo micromashining specifico per sensori audio. Per la parte di interfaccia digitale viene utilizzato il processo Cmos in modo da ottenere il trasferimento dei dati sensoriali in formato digitale Pdm. Questo microfono Mems ha un punto di overload di 120 dBSPL, offrendo un rapporto segnale/rumore di 63 dB e una sensibilità di -26 dB.
Grazie alla tecnologia Mems è stato possibile implementare soluzioni multimicrofoniche applicabili in sistemi di ridottissime dimensioni come i dispositivi portatili, palmari e indossabili. Si tratta degli array microfonici, realizzati con microfoni Mems. Questi possono essere di dimensioni molto contenute, consistere di un numero elevato di microfoni e avere costi relativamente bassi. Grazie agli array microfonici è possibile sviluppare applicazioni particolarmente utili nei sistemi audio e vocali, per esempio la cancellazione del rumore ambientale, la localizzazione e l’identificazione delle sorgenti sonore, la registrazione multimicrofonica con funzionalità beamforming (mirata solo alla sorgente sonora d’interesse), ecc. Per esempio, la scheda STA321MP/MPL di STMicroelectronics integra sei microfoni Mems gestiti da una matrice di commutazione e mixaggio audio. Il segnale microfonico viene reso disponibile a un processore microfonico scalabile dotato di acceleratore hardware per l’implementazione di algoritmi di elaborazione del segnale audio, come per esempio il beamforming.

Altimetri Mems
Gli altimetri sono strumenti che consentono di misurare l’altitudine. Quelli basati sulla pressione utilizzano la misura della pressione atmosferica per determinare l’altitudine a cui si trova il sensore. Il loro utilizzo è in campo avionico per le attività di rilevazione geografica del territorio e altre attività correlate. Grazie allo sviluppo tecnologico dei Mems, i sensori di pressione altimetrici sono diventati sufficientemente economici e piccoli da soddisfare i requisiti funzionali di numerose applicazioni che riguardano la vita quotidiana, come la navigazione indoor e outdoor basata su Gps o sui servizi di localizzazione, oppure le attività sportive come l’arrampicata, l’escursionismo, l’alpinismo, ecc. La misura della pressione si basa sull’effetto piezoresistivo della resistenza alla deformazione applicata alla pressione atmosferica relativa a un riferimento di pressione zero di una camera sotto vuoto. La differenza di pressione P1 (Fig. 7) rispetto a quella del vuoto porta a una deformazione del diaframma. Le quattro piezoresistenze inserite nel diaframma sono collegate a un ponte di Wheatstone (Fig. 8) che in tal modo misura la deformazione. Traducendola in una variazione di tensione. Tale variazione di tensione è proporzionale alla deformazione P1. Questa tensione viene trasformata in digitale ed elaborata da un sistema di digital signal processing e controllo (oversampling, amplificazione, conversione e data path). Il dato misurato viene quindi fornito in digitale su interfaccia I2C con una precisione di 20 bit come pressione atmosferica (barometrica) oppure con medesima precisione, sotto forma di altitudine. Freescale ha realizzato un sensore Mems altimetro di precisione, Xtrinsic MPL3115A2, dotato di interfaccia I2C per fornire dati altimetrici direttamente in formato digitale. Si tratta di un dispositivo a bassissimo consumo, di piccole dimensioni e dotato di funzioni intelligenti che consentono una semplice integrazione in dispositivi mobili e indossabili. Grazie a questa tipologia di dispositivi sensoriali è possibile aggiungere alla funzionalità di navigazione Gps basata sulla latitudine e la longitudine, anche l’altitudine. Essendo questa misura indipendente dalle informazioni Gps e dalla rete Internet, l’operatività di navigazione di natura altimetrica può essere eseguita anche in assenza di Gps e di rete Internet, per esempio in ambienti chiusi o in ambienti isolati.

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