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I sensori MEMS sono potenti ma la rivoluzione è solo agli inizi

Oggi la disponibilità di sensori MEMS (sistemi microelettromeccanici) ad alte prestazioni viene data per scontata, ma non è stato sempre così. La storia dei MEMS per il mercato di massa inizia nel 1991, quando Analog Devices annuncia l'accelerometro ad asse singolo ADXL50 (ormai obsoleto), dopo circa un decennio di difficoltà tecniche in diverse aree, tra cui simulazione, fisica a stato solido, tecniche di processo, incapsulamento e test, con produzione in grandi volumi entro il 1993 (Figura 1).

Figure 1: ADXL50, completamente analogico, è stato il primo accelerometro MEMS per il mercato di massa. Era destinato agli airbag del settore automotive e forniva un'uscita analogica completamente condizionata che poteva essere trasformata in digitale o utilizzata direttamente in un circuito di confronto. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il dispositivo, che misurava 5 mm x 5 mm, si presentava come tecnologia rivoluzionaria per un'unica applicazione molto specifica, cioè per attivare gli airbag delle automobili, appena introdotti nel settore e non obbligatori. Prima che fossero disponibili i sensori MEMS, la maggior parte degli airbag veniva attivata da un sensore sviluppato da Allen K. Breed nel 1967, in cui una pallina che si spostava in un tubo agiva da massa rilevata: la decelerazione dovuta all'impatto causava il distaccamento della pallina da un magnete e attivava un piccolo commutatore elettrico che, a sua volta, chiudeva un circuito che provocava l'emissione delle sostanze chimiche dell'airbag.

Il primo sensore MEMS era più piccolo, meno costoso e più semplice da assemblare, ma queste erano solo alcune delle sue virtù. L'aspetto più importante era infatti la sua capacità di cambiare il rilevamento dell'accelerazione da un semplice sì/no a uno scenario in cui il sensore poteva fornire un flusso analogico del valore rilevato. Di conseguenza, la forma d'onda dell'accelerazione diventò parte dell'algoritmo di attivazione.

Entro il 1999, ADLX50 era già obsoleto e venne sostituito da unità MEM più avanzate, ma ormai la rivoluzione attuata era chiara. I dispositivi che lo seguirono garantivano un'elevata credibilità per l'autocalibrazione del sensore (caratteristica fondamentale per la maggior parte dei sensori), condizionamento interno del segnale, convertitore analogico/digitale (ADC), un'interfaccia microcontroller e altre funzioni di semplice utilizzo. In breve tempo, parametri che prima erano difficili e costosi da misurare (dimensione, peso, potenza) diventarono aspetti quasi banali.

Ma perché fermarsi qui? I produttori iniziarono presto a offrire accelerometri a due e persino a tre assi, inizialmente come moduli minuscoli e, dopo poco tempo, come dispositivi monolitici. Improvvisamente divennero realizzabili applicazioni come il rilevamento del movimento in tempo reale e persino la navigazione (principi fisici di base: integrare l'accelerazione per determinare la velocità; integrare la velocità per determinare lo spostamento).

In men che non si dica, questi minuscoli dispositivi iniziarono a integrare diapason MEMS vibranti e divennero giroscopi e unità di misurazione inerziali (IMU) complete, in grado di sostituire, in molti casi, le IMU della dimensione di una palla da basket (>45 kg, >200 W) che guidarono gli astronauti sulla Luna esattamente 50 anni fa, per non parlare dei giroscopi a laser ad anelli (RLG) e a fibra ottica (FOG) che presero piede negli anni '80.

Improvvisamente si avevano a disposizione IMU che potevano essere utilizzate in applicazioni di accelerazione/posizione precedentemente intoccabili e come componenti essenziali per la guida dei droni. Per esempio, LSM6DSOXTR di STMicroelectronics è un IMU a tre assi (intervalli di fondo scala di ±2/±4/±8/±16 g) in un contenitore a 14 conduttori delle dimensioni di 2,5 × 3 × 0,83 mm, che richiede solo 0,55 mA. Include interfacce SPI e I2C.

Impossibile fare di meglio! Altri accelerometri furono presto utilizzati per la stabilizzazione elettronica delle immagini, risolvendo un problema che fino ad allora richiedeva una piattaforma a sospensione cardanica stabilizzata da un giroscopio meccanico. Alcune idee furono adattate per i microfoni MEMS, il cui principio (se non anche l'implementazione) in un certo senso è simile a quello degli accelerometri.

Le innovazioni e le applicazioni assicurate da MEMS sono solo agli inizi

Se consideriamo questi esempi, potrebbe sembrare che la portata della tecnologia MEMS si limiti all'accelerazione nelle sue diverse forme. Ma non è così. I dispositivi MEMS oggi sono usati per molte applicazioni che non hanno nulla a che fare con l'accelerazione.

Ad esempio Texas Instruments provò per prima a comandare la luce tramite microspecchi nei CI di elaborazione digitale della luce (DLP), un'applicazione inizialmente destinata a schermi di grandi dimensioni e pico proiettori. DLP6500 ha una matrice di 1080p (1920 × 1080), con oltre due milioni di microspecchi, e può essere utilizzato come modulatore di luce spaziale (SLM) per controllare l'ampiezza, la direzione e/o la fase della luce entrante (Figura 2).

Figura 2: il CI DLP DLP6500 di Texas Instruments garantisce un controllo preciso e totalmente direzionabile del fascio luminoso, nonché il comando di due milioni di pixel in una matrice. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Andando oltre la proiezione, TI ha annunciato di voler dare una nuovissima veste a una vecchia idea: ruotare i fari anteriori di un'autovettura in base alla direzione in cui viene girato il volante (proposta avanzata per la prima volta per il modello di automobile Tucker 48 negli anni '40!). DLP5531 è un dispositivo di comando elettronico basato su MEMS che elimina la necessità di avere ingranaggi, motori e cuscinetti e garantisce programmabilità completa e una risoluzione elevata di oltre un milione di pixel (direzionabili) per faro anteriore.

Per il mondo RF non ottico, Analog Devices offre l'interruttore MEMS quadripolare a una via (4PST) ADGM1004 che gestisce segnali RF con larghezza di banda da 0 Hz (c.c.) a 13 GHz (Figura 3). Usato in un circuito, grazie agli interruttori a contatto bidirezionali con punta metallica, permette di instradare un segnale RF a una delle quattro porte di uscita o di scegliere quale dei quattro segnali di ingresso inviare all'uscita. Questi interruttori trovano vasto impiego in molti punti della catena di segnali RF o in matrici di test.

Figura 3: Analog Devices ha esteso l'applicazione fondamentale della tecnologia MEMS fino a creare una struttura cantilever che offre chiusure dei contatti metallo su metallo per un interruttore RF 4PST, con larghezza di banda fino a 13 GHz. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Team di ricerca universitari usano la tecnologia MEMS anche come punto di partenza per realizzare dispositivi non ottenibili altrimenti. Accelerator on a Chip International Program (AChIP) è un progetto mondiale, fondato dalla Gordon and Betty Moore Foundation negli Stati Uniti, che tenta di creare un minuscolo acceleratore di elettroni basato su silicio, in grado di produrre impulsi di elettroni dai femtosecondi agli attosecondi (dai 10-15 ai 10-18 secondi) con un massimo di un megaelettrone di volt (MeV) di energia; tutto ciò semplicemente da un chip di silicio anziché con le lunghissime strutture che vengono impiegate attualmente.

Ci sono molte discussioni sull'argomento "Accelerazione fotonica di particelle tramite laser: dalle strutture proof of concept all'accelerometro su chip" (in inglese), e uno degli aspetti del progetto è descritto dettagliatamente nel documento "Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration" pubblicato in Physical Review Letters, in cui gli ingegneri del gruppo di fisica dell'accelerazione di questo progetto alla TU Darmstadt illustrano come hanno creato un canale MEMS minuscolo e nuovi metodi di orientamento del fascio di elettroni per sostituire l'approccio di orientamento magnetico tradizionale, che in questo caso risulterebbe troppo debole (Figura 4).

Figura 4: La struttura a doppio pilastro fabbricata in silicio usa il controllo della fase ottica basato su laser per orientare le aree di accelerazione e decelerazione degli elettroni. (Per gentile concessione di TU Darmstadt)

Un altro progetto MEMS innovativo si rivolge al mondo dell'Internet delle cose (IoT), più vicino al grande pubblico. Un team della Northeastern University ha sviluppato un interruttore basato su MEMS che rimane dormiente, a consumo zero, in modalità standby e si riattiva quando viene colpito dalla luce a infrarossi (IR) (Figura 5). L'interruttore fotoelettrico micromeccanico (PMP) plasmonicamente avanzato del team ottiene questo risultato trasformando la microscopica quantità di energia fotonica all'interno di bande spettrali definite per attivare un meccanismo MEMS. Quando l'energia IR di attivazione viene rimossa, l'interruttore si disattiva.

Figura 5: Ogni cantilever del PMP è composto da una testata, una coppia interna di bracci in doppio materiale termosensibili per l'attuazione, una coppia esterna di bracci in doppio materiale identici per la compensazione della temperatura e della sollecitazione e una coppia di collegamenti per l'isolamento termico che collegano i bracci interni ed esterni (a). Illustrazione concettuale di un fascio di luce incidente che colpisce quattro PMP, ognuno "sintonizzato" su diverse bande di radiazione infrarossa (b). Immagini pseudo-colorate al microscopio a scansione elettronica di un meccanismo di commutazione PMP reale con viste ingrandite dell'assorbitore plasmonico, della punta di contatto a forma di contenitore alla fine di un braccio in doppio materiale con strati AI e SiO2 autoallineati (c). (Immagine per gentile concessione di Northeastern University/Nature Nanotechnology)

Il documento "Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced micromechanical photoswitches" in Nature Nanotechnology offre tutti i dettagli tecnici. Il principio fisico che sta alla base della trasformazione dell'assorbimento IR si basa sui plasmoni, cioè le onde degli elettroni che si muovono sulla superficie di un metallo colpito dai fotoni. L'assorbitore plasmonico viene realizzato impilando tre materiali: uno strato dielettrico da 100 nm racchiuso all'interno di una matrice di nano patch da 50 nm in alto e una piastra in platino da 100 nm in basso (di nuovo figura 5). Gli interruttori ottengono energia dalla radiazione elettromagnetica IR a lunghezze d'onda specifiche e la utilizzano per chiudere meccanicamente i contatti.

Conclusione

La tecnologia basata su MEMS ha fatto enormi progressi rispetto agli inizi, quando veniva utilizzata per i sensori degli accelerometri che attivavano gli airbag. È stata estesa e trasformata per supportare diverse applicazioni, tra cui l'orientamento del fascio di luce tramite microspecchi e gli interruttori RF basati su contatti. Contemporaneamente, la ricerca universitaria sta dando ulteriore impulso a MEMS per impiegare questa tecnologia in situazioni scientifiche quotidiane e più particolari. Le possibilità sono praticamente infinite e dipendono solo dalla fantasia e dall'impegno di chi lavora alle tecnologie e agli strumenti MEMS.

 

Riferimenti:

1 – Analog Devices, ADXL50 Data Sheet (obsoleto)

2 – Patrick L. Walter, "The History of the Accelerometer: 1920s-1996 – Prologue and Epilogue, 2006" Sound and Vibration, gennaio 2007.

3 – Tekla S. Perry, "Kurt Petersen, 2019 IEEE Medal of Honor Recipient, Is Mr. MEMS" IEEE Spectrum, maggio 2019.

Informazioni su questo autore

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Bill Schweber è un ingegnere elettronico autore di tre libri di testo sui sistemi di comunicazione elettronica, oltre a centinaia di articoli tecnici, colonne di giornale e caratteristiche del prodotto. In passato ha lavorato come responsabile tecnico di siti Web tematici per EE Times, oltre che come Executive Editor e Analog Editor presso EDN.

In Analog Devices, Inc. (fornitore leader di circuiti analogici e di segnali misti), Bill si occupava di comunicazioni di marketing (pubbliche relazioni); di conseguenza, ha esperienza su entrambi i lati della funzione tecnica PR, come presentatore di prodotti, storie e messaggi aziendali ai media e come parte ricevente.

Prima del ruolo MarCom in Analog, Bill è stato redattore associato della loro rispettata rivista tecnica e ha lavorato anche nei gruppi di product marketing e di ingegneria delle applicazioni. Ancor prima di questi ruoli, Bill lavorava presso Instron Corp., occupandosi di progettazione di circuiti analogici e di potenza e integrazione di sistemi per i controlli delle macchine di prova dei materiali.

Bill ha un MSEE (Univ. of Mass) e un BSEE (Columbia University), è un ingegnere professionista registrato e detiene una licenza da radioamatore di classe avanzata. Bill ha anche pianificato, scritto e presentato corsi online su una varietà di argomenti di ingegneria, compresi i concetti di base su MOSFET, sulla selezione di ADC e sul pilotaggio di LED.

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