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- ELETTRONICA OGGI 453 - APRILE 2016
TECH INSIGHT
ACOUSTIC SENSOR
di funzionamento ne con-
sentono l’implementazione
in capsule chiuse ermeti-
camente insieme a un tra-
smettitore RF che possono
essere installate in luoghi
critici come condotti per
l’olio, pozzi, droni, apparec-
chiature medicali indossa-
bili e robot satellitari, oltre
che nei superaccessoriati
terminali mobili che voglio-
no offrire prestazioni garan-
tite in qualsiasi condizione
d’utilizzo.
In pratica, applicando una
debole tensione di polariz-
zazione a un piezoelettrico
questo oscilla vibrando a
una frequenza di risonanza
stabile che dipende dalla
sua massa e dal suo volume,
ma quando viene investito
da un’onda elettromagneti-
ca una parte dell’energia di
quest’ultima viene trasferita
al reticolo metallico che au-
menta o diminuisce di con-
seguenza la frequenza della
sua vibrazione.
L’entità della differenza di
frequenza dipende dalle
caratteristiche di entrambi
perché vi sono reticoli me-
tallici con legami più debo-
li solo in prossimità delle
loro superfici esterne ma
ce ne sono anche con uno
spesso ma limitato strato
superficiale di atomi elastici
e ce ne sono anche di ela-
stici in tutto il loro volume.
Quando sono colpiti da una
radiazione con sufficiente
energia possono formarsi
delle onde vibrazionali che
nei tre casi si dicono rispet-
tivamente superficiali, bulk
o di volume, ma dato che
nei MEMS il volume dell’e-
lemento oscillante è molto
piccolo si possono ragione-
volmente chiamare bulk tut-
te le onde acustiche diffuse
che non siano superficiali.
Dal punto di vista applica-
tivo la differenza è che per
catturare le SAW si usano
componenti essenzialmente
planari che si accontentano
di poca energia ma sono più
difficili da gestire mentre
per le BAW occorrono due
elettrodi MEMS capacitivi
fabbricabili con processi
a basso costo che offrono
maggior robustezza e mi-
gliore versatilità applicativa.
Giroscopi BAW
Il processo brevettato da
Qualtré per la fabbricazio-
ne dei suoi giroscopi BAW
si chiama High-Aspect Ra-
tio Poly- and Single-crystal
Silicon, o HARPSS, ed è
caratterizzato dall’elevata
frequenza di risonanza de-
gli elementi sensibili MEMS
e da un costo conveniente
in rapporto all’affidabilità e
alla versatilità delle presta-
zioni offerte.
Rispetto ai giroscopi a dia-
pason (tuning-fork) ci sono
meno parti in movimento
e perciò i giroscopi BAW
sono maggiormente immu-
ni da urti e vibrazioni e più
precisi ed esenti da errori
anche a bordo dei vettori
spaziali e in tutte le appli-
cazioni
particolarmente
critiche.
Questi vantaggi si eviden-
ziano soprattutto nei di-
spositivi di sicurezza e na-
vigazione automotive, nella
stabilizzazione immagini e
nella robotica di precisione.
In pratica, i giroscopi MEMS
funzionano rilevando la
forza di Coriolis impressa
alle loro masse oscillanti
dai movimenti rotazionali
del telaio di appoggio e poi
compensandola con un op-
portuno circuito capacitivo
e una retroazione che rialli-
nea istantaneamente il rife-
rimento del MEMS.
I giroscopi concepiti al Ge-
orgia Institute of Techno-
logy Integrated MEMS La-
boratory e ora prodotti da
Qualtré sono fatti con un
disco di silicio cristallino
con 600 µm di diametro e
35 µm di spessore, ai bor-
di del quale viene rilevata
la frequenza dei modi vi-
brazionali delle onde acu-
stiche di tipo bulk che lo
attraversano. Come si vede
nella figura che ne illustra
il funzionamento, le rota-
zioni destrorse o sinistror-
se causano una variazione
della frequenza di vibra-
zione rispetto a quella di
risonanza che misura con
grande precisione l’entità
della rotazione angolare im-
posta e grazie a ciò si può
poi compensarne l’effetto
per correggere l’assetto del
disco e mantenerlo allinea-
to. La novità introdotta dai
processi HARPSS consiste
nel realizzare gli elettrodi
capacitivi per la misura del-
la frequenza vibrazionale
in polisilicio grandi esatta-
mente 35 µm come il disco
ma con un gap capacitivo
di appena 200 nm ottenuto
senza bisogno di sofisticate
e costose tecniche di lito-
grafia ma usando proces-
si di fabbricazione MEMS
standard a basso costo.
Ciò comporta una sensibili-
tà di risposta notevole con
un’uscita fino a ±600 mV
e una linearità garantita in
0,05% sull’intero range delle
velocità angolari rilevabili di
±1500°/s (gradi al secondo),
Fig. 3 – La rotazione destrorsa o sinistrorsa del disco causa lo spostamento della frequenza di vibrazione
rispetto a quella di risonanza misurando con grande precisione il movimento angolare