I sensori MEMS accelerano l'innovazione delle applicazioni

I sistemi microelettromeccanici (MEMS) continuano a dimostrare una crescita costante stando alle principali società di ricerche di mercato. IHS prevede una crescita del 6,3% per il 2013, con un fatturato del settore pari a USD 1,6 miliardi. IHS attribuisce tale forza a segmenti del mercato come petrolio, gas e aerospaziale che impiegano sensori inerziali e di pressione.

Un altro osservatore del mercato MEMS, Yole Developpement (figura 1) ha notato che la domanda di telefoni cellulari continua a determinare la forte crescita dei dispositivi MEMS. A dimostrazione della forza del segmento dei sensori inerziali, Yole cita InvenSense, che recentemente ha acquisito la divisione Microfoni MEMS di Analog Devices, per un aumento approssimativo delle vendite pari al 30%.

La buona notizia è che la domanda dimostra una tendenza verso l'alto almeno fino al 2018 e nell'attuale ambiente economico, si tratta di una conquista.


Figura 1: Il mercato dei chip MEMS raggiungerà USD 22 miliardi entro il 2018 e le applicazioni continueranno a crescere ed espandersi (per gentile concessione di Yole Developpement).

Da quando si è capito che i MEMS potrebbero aiutare i progettisti nella miniaturizzazione di numerosissimi sistemi elettronici, con una relativa diminuzione nel peso e consumo energetico, i MEMS sono decollati. Naturalmente, il fatto che i MEMS siano più facili e più economici da produrre, non avendo pressoché alcuna parte in movimento, e che il loro uso ha aumentato le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi ha contribuito a garantire che attirassero l'attenzione dei progettisti. Di conseguenza, i sistemi automotive, i telefoni cellulari, l'elettronica medicale, gli elettrodomestici e l'hardware militare/aerospaziale incorporano tutti i MEMS. L'integrazione di sensori MEMS ricchi di funzionalità che eliminano fasi ripetitive per i progettisti - e lo fanno a un costo inferiore rispetto al passato - è diventato un elemento cruciale per la loro applicazione attuale e futura.

Un esempio di tale integrazione di sistema è il compatto sensore inerziale di precisione a sei gradi di libertà ADIS16445 di Analog Devices. Il sistema inerziale completo comprende un giroscopio triassiale e un accelerometro triassiale. Ciascun sensore dell'unità ADIS16488 abbina la tecnologia iMEMS di ADI al condizionamento del segnale per ottimizzare le prestazioni dinamiche. La calibrazione in fabbrica assicura caratteristiche costanti del sensore in termini di sensibilità, bias, allineamento e accelerazione lineare (bias del giroscopio). Di conseguenza ciascun sensore dispone di proprie formule di compensazione dinamica per la precisione delle misurazioni.


Figura 2: Il compatto sensore inerziale di precisione a sei gradi di libertà ADIS16445 offre integrazione di sistema per facilitare la progettazione nelle applicazioni di navigazione.

ADIS16445 propone un metodo semplice ed economico per l'integrazione del rilevamento inerziale multiassiale di precisione nei sistemi industriali. Tutte le necessarie fasi di test e calibrazione del movimento sono eseguite in fabbrica e ciò riduce notevolmente i tempi di integrazione nel sistema. Il rigido allineamento ortogonale semplifica ulteriormente l'allineamento inerziale del frame nei sistemi di navigazione, mentre le strutture SPI e di registro offrono una semplice interfaccia per il controllo della configurazione e la raccolta dati. Le applicazioni includono navigazione, robotica, stabilizzazione e controllo di piattaforma.

Il settore automotive rimane il più grande utilizzatore di dispositivi MEMS. Sistemi di iniezione diretta, sicurezza automobilistica, monitoraggio della pressione dei pneumatici e sistemi di frenatura sono tutti basati su sensori MEMS.

La sicurezza automobilistica comprende il ribaltamento del ribaltamento veicolare e il sensore perfetto è il modello ADXRS620, un MEMS con velocità di imbardata di ±300°/sec di Analog Devices (figura 3).


Figura 3: Diagramma a blocchi funzionali del giroscopio ADXRS620 di Analog Devices, destinato ad applicazioni di sicurezza automobilistica.

ADXRS620 è un giroscopio che utilizza un processo di microlavorazioni della superficie per creare un sensore di velocità angolare funzionalmente completo e a basso costo, integrato in un unico chip. Questo giroscopio di qualità automotive è compatibile al 100% per pin, package, temperatura e funzioni al giroscopio ADXRS652 di qualità industriale dell'azienda. Il segnale di uscita, RATEOUT (1B, 2A), ha una tensione proporzionale alla velocità angolare attorno all'asse perpendicolare alla superficie superiore del package. L'uscita è raziometrica, ossia proporzionale rispetto all'alimentazione di riferimento fornita. Un condensatore esterno imposta la larghezza di banda. ADXRS620 è disponibile in un contenitore ceramico BGA 7 × 7 × 3 mm.

I sensori di inclinazione sono essenziali per strumenti di misurazione di inclinazione e livellamento ad alta precisione. L'elevata precisione è disponibile nella serie SCA103T di Murata (figura 4), una famiglia di inclinometri monoasse basati su MEMS 3D che utilizza il principio di misurazione differenziale per compensare tutti gli effetti dell'errore di modo comune e di rumore.

L'alta precisione della calibrazione combina dipendenza dalla temperatura estremamente bassa, alta risoluzione e basso rumore, insieme a un design robusto dell'elemento sensore. Gli inclinometri non sono sensibili alle vibrazioni basate su elementi di rilevamento eccessivamente smorzati e si ritiene che possano sopportare urti meccanici di 20.000 g.

Figura 4: Diagramma a blocchi funzionali dei sensori di inclinazione serie SCA103T di Murata, utilizzati per strumenti di misurazione di inclinazione e livellamento ad alta precisione.

Questi sensori offrono un'eccellente stabilità nell'intervallo di temperatura e temporale. Offrono uscite in tensione analogiche raziometriche, inclinazione digitale SPI e uscita in temperatura e hanno funzioni complete di rilevamento guasti. Sono anche compatibili con il processo di saldatura a rifusione senza piombo. Il dispositivo fornisce misurazioni senza problemi in macchine in movimento, veicoli, aerei, macchine per l'edilizia e dispositivi palmari.

Guardando al futuro

Dove si registrerà la crescita nell'uso dei sensori MEMS in futuro? Dispositivi indossabili e mobile per la salute aumenteranno le vendite dei sensori di movimento e degli accelerometri MEMS. Il settore fitness, ma anche il monitoraggio sanitario per una popolazione che sta invecchiando continueranno a spingere l'integrazione di accelerometri, giroscopi e bussole elettroniche MEMS. Il settore automotive sarà nuovamente centrale, soprattutto per i sensori di pressione MEMS.

Altre applicazioni includono dispositivi intelligenti, come orologi e occhiali, telecamere termiche e sensori di gas. Nuovi nel panorama dei prodotti sono i microbolometri, minuti array di sensori per il rilevamento del calore sensibili ai raggi infrarossi utilizzati in sistemi di sorveglianza, apparecchiature antincendio e per le forze dell'ordine, che presto saranno probabilmente adottati altrove.

I microfoni MEMS saranno integrati in una gamma di dispositivi sempre più ampia, tra cui smartphone, laptop e console di videogioco, apparecchi acustici, televisori e foto/videocamere. Attualmente, Apple e Samsung sono i principali utilizzatori di microfoni MEMS: oltre il 50% viene assorbito da queste due aziende soltanto. I microfoni MEMS faranno presto ingresso in applicazioni automotive.

Si pensi a SPM0437HD4H di Knowles, un microfono digitale al silicio miniaturizzato, ad alte prestazioni e basso consumo con porta superiore dotato di un'uscita PDM a bit singolo. Utilizzando la tecnologia MEMS SiSonic di Knowles, SPM0437HD4H è costituito da un sensore acustico, un buffer di ingresso a basso rumore e un modulatore Sigma-Delta. Questo dispositivo è adatto per applicazioni come telefoni cellulari, smartphone, computer portatili, fotocamere digitali, registratori portatili di musica e altri dispositivi elettronici portatili dove sono richieste p restazioni audio ad ampio spettro e immunità RF.

Come per tutti i progetti che includono i sensori, la fusione del sensore continua a fare progressi. Le combinazioni di sensore utilizzate rendono più facile per i progettisti riunire e implementare capacità e funzionalità prima impensabili in tempo record e a un costo inferiore rispetto all'uso di sensori singoli. Sebbene telefoni e tablet rimarranno ai primi posti della classifica, i sensori MEMS, soprattutto nelle applicazioni consumer, saranno integrati in praticamente tutto ciò che ci circonda.

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