Trasduttori MEMS
La sigla MEMS è l’acronimo di Micro Electro Mechanical Systems e identifica una
categoria di dispositivi di varia natura (meccanici, elettrici ed elettronici) integrati in forma
altamente miniaturizzata su uno stesso substrato di silicio, che coniugano le proprietà
elettriche degli integrati a semiconduttore con proprietà opto-meccaniche. La
tecnologia MEMS è considerata una delle innovazioni più promettenti del XXI secolo, capaci
di rivoluzionare sia il mondo industriale, sia quello dei prodotti di largo consumo. La
miniaturizzazione dei sensori costruiti utilizzando tale tecnologia, unita all’integrazione del
circuito necessario ad ottenere l’output di misura, ne ha consentito l’introduzione in molteplici
dispositivi (palmari, console di giochi, realtà virtuale, sistemi di misura, sistemi di controllo di
posizione utilizzati congiuntamente alla tecnologia GPS, etc.) ove si vuole effettuare la
misura di diverse grandezze fisiche (accelerazioni, velocità, spostamenti, rotazioni, pressioni,
etc.).
La maggior parte degli accelerometri sviluppati e riportati in letteratura è di tipo
piezoelettrico. Tuttavia, talvolta, risultano troppo inadatti e troppo ingombranti.
Si è tentato di sviluppare qualcosa di più piccolo che potesse sfruttare l'esperienza nel
campo della microelettronica. Il primo accelerometro MEMS risale al 1979 ma non ha
preso piede prima degli anni Novanta. Infatti è di questo periodo la rivoluzionaria
applicazione nel settore industriale “automotive-airbag”.
Alcuni esempi di attuale applicazione:
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Sensori di inerzia (Motorola, Analog Device, Sensonor, Delphi)
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Sensori micro-fuidici- teste delle stampanti a getto di inchiostro- (Hewlett Packard)
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Micro-bio-analysis, DNA chips (Agilent)
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Componenti per telecomunicazioni su fibra ottica – switch basati su micro specchietti
(Sercalo)
Immaginate una macchina così piccola da essere invisibile all'occhio umano, macchine che
possono essere non più grandi di un granello di polvere.
Immaginate migliaia di queste macchine create su un unico pezzo di silicio al costo di
qualche centesimo l'una.
Immaginate un mondo dove spesso la gravità e le forze di inerzia diventano secondarie
rispetto alle forze di interazione atomica.
Immaginate per esempio un chip di silicio che contiene migliaia di microscopici specchietti
che lavorano all'unisono permettendo l'esistenza delle moderne reti ottiche che sostituiscono
le obsolete infrastrutture delle telecomunicazioni
Questo è il mondo occupato dalla tecnologia MEMS che ha ridisegnato i confini
dell'ingegneria tradizionale, ristabilendo il concetto di “possibile”.
Questa tecnologia ha portato alla realizzazione di accelerometri MEMS in grado di misurare
lungo tre assi. Si basano principalmente sulla misura di variazioni capacitive, indotte dalle
accelerazioni cui il sensore è sottoposto. I processi di microincisione permettono di
realizzare condensatori costituiti da più armature, che possono oscillare attorno ad
una posizione di equilibrio, provocando variazioni capacitive . Tali variazioni sono
dell’ordine di 10-18 ¸ 10-21 F e possono essere rilevate proprio grazie alla tecnologia costruttiva
dei MEMS che integra l’elettronica all’interno del sensore.
MEMS capacitivi presentano molteplici caratteristiche favorevoli:
-precisione e rapporto segnale rumore elevati;
-ampia banda passante a partire da 0 Hz, sono dunque in grado di misurare le
accelerazioni statiche.
-affidabilità;
-consumi limitati;
-produzione su larga scala e omogeneità della lavorazione;
-miniaturizzazione
Altri esempi di applicazioni di
accelerometri MEMS:
-Step counter, switch tra modo di
visualizzazione immagini landscape e
portrait (iPhone Apple, Nokia N95). Gli
smartphone utilizzano un
accelerometro come sensore di tilt per
stabilire l'orientamento delle fotografie
scattate con la telecamera interna.
-Tap sensor (Nokia 5500 sport). Un
accelerometro 3D viene utilizzato per
cambiare canzone se “picchiettato”
anche se si trova in una tasca.
-Videogiochi senza contatto (Wii...)
-Protezione degli hard drive nei laptop
in caso di caduta. L'accelerometro
sente la variazione dell'accelerazione
e spegne l'hard drive per minimizzare
il danno.
-Simulazione di decelerazione per test
su airbag all'accensione del veicolo.
Tecnologie e materiali
In generale la fabbricazione dei MEMS cerca di beneficiare della stessa economia di scala che
è stata applicata con successo nella fabbricazione con forte riduzione dei costi nei circuiti
integrati.
Un tipico processo di fabbricazione parte da un wafer (silicone, polimero, vetro...) che può
avere un ruolo attivo nel sensore finale oppure può semplicemente essere il substrato su cui il
MEMS viene costruito.
Il wafer è lavorato secondo una successione di azioni (elencate nella tabella sopra) che
aggiungono, modificano, rimuovono materiale secondo percorsi precisi.
Il materiale più diffuso è senza dubbio il silicone e sui composti come il (di)ossido di silicone
ed i nitriti di silicone.
Tuttavia altri materiali vengono impiegati per le loro proprietà. Per esempio il cristallo di
quarzo (piezoelettricità), vetro (forma fusioni stabili col silicone, bio-compatibilità), polimetri
(biodegradabilità, versatilità, proprietà termoplastiche), metalli (conducibilità, possibilità di
generare film sottili...)
Trasduttori TEDS (Transducer Electronic Data Sheet)
I trasduttori TEDS sono trasduttori che includono le caratteristiche tecniche all'interno del
proprio connettore, grazie ad un chip integrato. Quindi caratteristiche necessaria alla
misura come :
-fonsoscala
-sensibilità
E utili come:
-numero di serie del sensore
-data dell'ultima taratura
vengono conservate nel sensore stesso anziché nell'amplificatore e nel software di misura.
Il vantaggio principale nell'uso di questi sensori, è la drastica diminuzione dei tempi di
settaggio della prova nonché l'abbassamento dei rischi relativi ad una scorretta
impostazione delle caratteristiche tecniche del trasduttore.
Questo è possibile grazie ad una standardizzazione del protocollo di gestione delle
informazioni (IEEE 1451.4) ed a software/hardware appositi.
