Sensori MEMS a elevate prestazioni
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Elettronica Oggi
Autore: Cosimo Carriero, Senior Field Application engineer di Analog Devices
Prestazioni sempre maggiori e applicazioni avanzate hanno aperto la porta a tutta una serie di sensori, tra i quali spiccano i MEMS, principalmente accelerometri e giroscopi, che grazie alla loro capacità di misurare il movimento sono in grado di migliorare le performance e aumentare le funzionalità dei dispositivi che li adottano.
Un altra famiglia di sensori MEMS di recente introduzione, che ha immediatamente riscontrato i favori del mercato, è quella dei microfoni. Questi dispositivi, grazie a prestazioni superiori rispetto ai tradizionali microfoni a capsula a elettrete, facilitano l’implementazione di algoritmi per la cancellazione dell’eco, la riduzione del rumore e la direzionalità (beam forming), oltre a semplificare il processo produttivo in quanto non richiedono procedure di montaggio dedicate. Il matching elevato e la stabilità delle caratteristiche li rendono particolarmente adatti in applicazioni multi-microfono. Inoltre la tecnologia costruttiva, che prevede l’impiego del sensore accoppiato con un ASIC per l’elaborazione del segnale facilita l’integrazione di più funzioni; così, oltre a emulare il microfono a capsula per questioni di retro-compatibilità, esistono sul mercato dispositivi con uscita digitale (PDM o I2S) per la connessione diretta a un microcontrollore.
L’ADMP504, di recente introduzione, è il primo membro di una famiglia di microfoni MEMS con un rapporto segnale rumore (SNR) di ben 65dB, che ne fa il dispositivo a più basso rumore sul mercato. Questo vuol dire che è in grado di rilevare i suoni più flebili, provenienti da distanze più lunghe, oppure migliorare sensibilmente le prestazioni di un algoritmo di beam forming, abbattendo maggiormente il rumore proveniente dall’ambiente circostante.
Se è vero da un lato che le applicazioni consumer hanno determinato letteralmente il boom di questi sensori, dall’altro bisogna dire che è aumentata l’adozione anche negli altri mercati. È il caso dell’automotive, che è stato pioniere nell’impiego di queste tecnologie con i sensori di airbag, e che oggi è un fruitore importante con applicazioni consolidate, come gli antifurti basati su tilt sensing, e applicazioni relativamente nuove, come il controllo elettronico della stabilità, le sospensioni elettroniche, il dead reckoning nei sistemi di navigazione satellitare, scatole telematiche e black box. Alcune delle applicazioni automotive sono classificate come “Safety Critical”, cui si applicano standard di affidabilità particolarmente impegnativi.
Analog Devices è molto attiva su questo fronte e ha nel proprio portafoglio accelerometri ad alto g, tipicamente per sensori di airbag, e a basso g, utilizzati nel controllo di stabilità (ESC). Sul fronte dei giroscopi abbiamo l’ADXRS800, adatto per l’impiego in ESC, con qualifica AEC-Q100, range di temperatura fino a 105°C, una funzione di self test continuo, ed è stato progettato con funzionalità Fail-Safe.
Anche il settore sanitario sta beneficiando dell’introduzione di questi sensori, specialmente per quanto riguarda le apparecchiature per l’assistenza domestica. Sensori di movimento installati sui pazienti sono in grado di monitorare attività varie, come ad esempio il moto, la respirazione, la posizione, e possono discriminare eventi traumatici come urti e cadute. In applicazioni di questo genere l’alimentazione è a batteria e pertanto il basso consumo è mandatario; diventa assolutamente critico in dispositivi impiantabili, dove la sostituzione della batteria è impraticabile e la durata deve essere anche di anni. L’ADXL362 è un accelerometro tre assi con range programmabile ±2g, ±4g e ±8g.
L’accelerometro 3-assi ADXL362 a bassissimo consumo
Questo dispositivo è rivoluzionario dal punto di vista dei consumi, con un assorbimento di corrente di soli 2µA con un data rate di 400Hz. Utilizzato in wakeup mode, con un acquisizione di circa sei campioni al secondo, l’assorbimento si riduce a soli 270nA, che diventano 10nA in standby. A completare il quadro c’è tutta una serie di funzioni che concorrono a ridurre sensibilmente il consumo di sistema. Oltre alle applicazioni strettamente sanitarie, c’è il mondo correlato del wellness, dove i sensori possono essere utilizzati per monitorare il corretto svolgimento degli esercizi e, più in generale, monitorare la quantità di moto che si effettua durante la giornata.
Ricordiamo che l’accelerometro è utilizzato per la misura di spostamenti lineari, mentre il giroscopio, tramite la misura della velocità angolare, serve per determinare una rotazione. L’accelerometro è anche in grado di rilevare condizioni statiche come l’accelerazione di gravità ed essere pertanto utilizzato per stabilire l’orientazione nel campo gravitazionale, funzione nota come inclinometro. Usando una combinazione di accelerometri e giroscopi è possibile rilevare un movimento rototraslazionale vario. È questo il caso di sensori più complessi denominati unità di misura inerziali (IMU), che possono implementare anche funzioni di altro tipo, come ad esempio il magnetometro per rilevare il campo magnetico terrestre, un barometro per la misura della pressione atmosferica e un sensore di temperatura, per realizzare così una vera e propria unità di navigazione inerziale.
A questa famiglia appartiene l’ADIS16480, che grazie all’ausilio di un DSP Blackfin (BF512), implementa un filtro di Kalman esteso che, dall’analisi delle informazioni dei sensori, è in grado di fornire informazioni precise sulla posizione durante un moto vario.
Con la sua ventennale esperienza nel campo dei sensori MEMS Analog Devices è sempre attenta alle esigenze del mercato e pronta a fornire ai progettisti dispositivi a elevate prestazioni che vengono incontro alle loro esigenze progettuali.
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