Sensori MEMS per applicazioni industriali

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I sensori microelettromeccanici (MEMS) combinano elementi logici e strutture meccaniche in un singolo chip. Minuscoli sensori di misura che misurano millesimi di millimetro come molle, barre, bilance o diaframmi, sono ricavati direttamente sullo strato di silicio e possono rilevare l’accelerazione lineare, la velocità rotazionale, la pressione o il suono.

I deboli segnali sono elaborati o amplificati dall’elettronica integrata e distribuiti attraverso un’interfaccia analogica o digitale. I MEMS hanno reso possibile molti sviluppi innovativi – si pensi ai sensori di accelerazione, ai giroscopi e ai microfoni di dimensioni minuscole – e fatto il loro ingresso dapprima nei mercati consumer, delle comunicazioni mobili e automotive. Essi sono stati impiegati in console che permettono agli utenti una partecipazione interattiva, in telefoni cellulari che reagiscono al movimento, nelle fotocamere per la stabilizzazione delle immagini oppure negli airbag e negli ESP delle autovetture.

Alla luce di ciò, il mercato globale dei MEMS sta crescendo costantemente, attualmente di circa un miliardo di dollari all’anno. I leader di mercato sono Bosch e STMicroelectronics.

Più comfort operativo

Un campo di impiego promettente é quello delle interfacce uomo-macchina (HMI). Qui é dove può essere sfruttata l’esperienza legata all’uso dei telefoni cellulari, semplicemente copiando le funzioni a tocco e a doppio tocco. È possibile inoltre mettere a punto un tipo di interfaccia HMI con controllo vocale, con i telefoni cellulari che ne dimostrano le opportunità – gli utenti di iPhone possono già usare Siri’ per gestire i propri appuntamenti o email. Una simile tecnologia di riconoscimento vocale e di controllo é resa possibile anche usando microfoni MEMS in altri dispositivi, come i sistemi di navigazione.

Questi combinano le dimensioni ridotte con un’elevata qualità audio e robustezza. Tali vantaggi sono anche forniti nei kit mani libere o nei sistemi di conferenze – senza alcun costo aggiuntivo. STMicroelectronics, ad esempio, offre microfoni MEMS, i quali sono più affidabili e robusti rispetto a tradizionali microfoni ECM (electret condenser microphone). I modelli MP34DT/DB01/ MP45DT02 hanno un rapporto segnale rumore massimo di 63 dB, e una risposta in frequenza molto piatta (da 20Hz a 20kHz).

Più sicurezza

I sensori di velocità rotazionale sono un esempio di come la sicurezza possa essere migliorata nei trapani. Essi rivelano la velocità del trapano non appena la punta aderisce al cemento ed assicurano che sia chiusa. I sensori di accelerazione rendono possibile la “rilevazione di caduta libera”, che al momento é usata prevalentemente nei dischi fissi dei laptop.

Se il sensore registra che é in caduta libera, esso assicura che la testina di scrittura e di lettura non cada all’interno del disco, ma piuttosto venga ritratta per tempo. Questo principio può essere ugualmente applicato ad una motosega o al controllo remoto di una gru, allo scopo di rendere il dispositivo sicuro usando un sistema di chiusura di emergenza se si trova in caduta libera.

I sensori di accelerazione rilevano anche i più piccoli movimenti e vibrazioni, il che significa che i tubi del l’olio e del gas o i distributori automatici possono essere protetti in modo semplice ed efficace contro atti di vandalismo e oggetti preziosi possono essere protetti dal furto. le macchine possono essere controllate per determinare se stanno funzionando correttamente rilevando le loro vibrazioni.

I sensori di pressione barometrici a MEMS sono in grado di misurare le differenze di altitudine fino ad una precisione di 25cm. Al di fuori dei sistemi di inseguimento basati su satellite, i quali non operano in ambienti chiusi a causa della ricezione limitata o assente questi ultimi rendono possibili applicazioni come la navigazione in ambienti chiusi nei centri o nei parchi commerciali.

Questi misurano la pressione dell’aria, la quale può essere usata per determinare l’altitudine e quindi il piano. Essi sono anche usati ne sistemi di navigazione, ad esempio per localizzare un veicolo in un parcheggio me operazioni dei pompieri e della polizia, multilivello per auto. Durante le operazioni dei pompieri e della polizia, i sensori di pressione a MEMS possono persino contribuire a salvare vite localizzando vittime di incidenti all’interno degli edifici.

Fig. 1 – Dati da un sensore di pressione Bosch Sensortec BMP085 / BMP180 durante il trasporto di un ascensore

Più efficienza

Se una macchina si spegne immediatamente quando non sta funzionando correttamente, aumenta anche l’ efficienza energetica. Combinando più sensori si può avere un’ulteriore ottimizzazione. In una lavatrice, per esempio, i sensori di pressione possono misurare il livello di riempimento e i sensori di accelerazione possono rilevare vibrazioni, consentendo così alla macchina di essere controllata in modo ottimale a seconda delle necessità.

Fig. 2 – Diagramma schematico di un sistema di misura del livello di riempimento usando un sensore di pressione MEMS LPS331AP di STMicroelectronics

I sensori di movimento permettono a dispositivi quali controlli remoti, lampade o sistemi audio di essere spenti automaticamente se non registrano movimenti all’interno di un determinato periodo di tempo.

STMicroelectronics e Bosch Sensortec offrono prodotti di prima classe per applicazioni come queste. I sensori di accelerazione triassiali LIS3DH (STMicroelectronics) e BMA250 (Bosch Sensortec) sono raccomandati principalmente per l’uso nei telefoni cellulari, perché sono entrambi molto efficienti energeticamente e piccoli. LIS3DH consuma solo 2 µA di potenza in modalità a consumo ultra basso.

Le sue dimensioni di 3x3x1mm (LIS3DH) o di 2x2x0.95mm (BMA250) sono ideali per applicazioni in cui lo spazio é una risorsa. Entrambi i sensori forniscono valori fino +/-2g, +/-4g, +/-8g e +/-16g di precisione attraverso intervalli di misura programmabili con una sensibilità di 1mg/cifra con l’LIS3DH e di 256LSB/g con BMA250 nell’intervallo di 2g. La loro risoluzione digitale é di 12 bit o 11 bit rispettivamente, il tipico scostamento zero-g durante l’intera vita utile é di +/- 40mg per il modello di ST e di +/- 80mg per, il modello di Bosch. Per i dispositivi mobili, sono anche di interesse le funzioni di gestione intelligente dell’alimentazione, di riconoscimento di caduta libera e per la funzione contapassi.

Per applicazioni di interfaccia uomo-macchina, i sensori forniscono i mezzi per adattare il display e per fornire il controllo tocco/doppio tocco. Essi supportano anche la funzione videogiochi e di realtà virtuale. Entrambi i produttori offrono tool hardware e software per il collaudo iniziale con un’interfaccia grafica semplice all’uso.

Questi forniscono un chiaro mezzo per regolare e per verificare le impostazioni e per copiarle in un secondo momento una ad una nell’applicazione. Sia ST sia Bosch forniscono schede e software di programmazione con API (Application Programming Interface).

Fig. 3 – Il sensore di accelerazione LIS3DH di ST consuma solo 2 μA di potenza in modalità ultra-low power

Più mobilità

Tuttavia i vari tipi di sensore non dovrebbero essere considerati isolatamente. Combinandoli, essi forniscono alle applicazioni un grande numero di “sensi” che sono pressoché identici a quelli di un essere umano. I sensori di accelerazione combinati con i giroscopi, ad esempio, sono in grado di generare profili di movimento complessi.

Entrambi i sensori sono anche disponibili in un singolo modulo, ad esempio l’LSM303DLC di STMicroelectronics. In appena 4x5x1mm, questo modulo contiene il sensore di accelerazione triassiale LIS3DH e il giroscopio triassiale L3GD20. Ciò offre una scala di misura completa da ±250dps a ±2000dps ed è dotato di un interrupt programmabile.

Fig. 4 – Il sensore di accelerazione BMA250 di Bosch Sensortec consuma poca potenza ed ha dimensioni contenute

I sensori o i moduli MEMS consentono il monitoraggio da remoto di pazienti o di anziani senza limitare i loro movimenti. Ad esempio, se essi cadono, un’infermiera può essere allertata immediatamente, e le persone con handicap mentali che si sono perse possono essere ritrovate. La terapia occupazionale, gli allenamenti per sportivi e i dosaggi di medicinali possono anche essere regolati finemente ad un profilo di movimento specifico e quindi possono essere progettati per ottenere un effetto maggiore.

Nei misuratori della pressione sanguigna, il sensore può controllare la posizione del braccio, assicurando così di fornire una misura corretta anche restando nella propria abitazione. Nell’allevamento delle mandrie, il sensore può essere usato per misurare specificamente la quantità di cibo concentrato in relazione a quanto l’animale si muove.

Più gradi di libertà

I moduli sensore che combinano un numero più grande di tipi si sensore offrono ancora più gradi di libertà (DoF). Con le loro dimensioni relativamente ridotte, essi sono principalmente adatti ad applicazioni critiche per l’occupazione di spazio. Le combinazioni attualmente più popolari sono costituite da sensori di accelerazione, giroscopi e bussole.

STMicroelectronics ha presentato di recente un modulo multi-sensore con nove gradi di libertà. Il modulo iNEMO M1integra un sensore di campo geomagnetico a 6 assi, un giroscopio triassiale e un microcontrollore STM32 a 32 bit insieme a software speciale – e questo in dimensioni compatte di appena 13x13x2mm.

Esso può essere usato per rilevare ed elaborare completamente i valori di accelerazione lineare, le velocità angolari, l’accelerazione e la direzione di caduta libera, il che significa che la direzione, la posizione e il movimento possono essere rilevati con precisione. Il software di fusione dei sensori combina i segnali in uscita di tutti i sensori, mentre gli algoritmi di predizione e gli algoritmi di filtraggio correggono automaticamente le distorsioni e le inaccuratezze nelle misure.

Questo è il modo in cui il modulo raggiunge un grado superiore di realismo nelle applicazioni di videogiochi, nelle interfacce uomo-macchina, nei robot e nei dispositivi di navigazione portatili, oltre che nel monitoraggio dei pazienti.

Maggiori informazioni sono disponibili all’indirizzo www.rutronik.com/sensors

Martin Grimmer, Senior marketing manager, Analog & Sensors. Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

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