A pochi passi dal casello di Agrate dell’autostrada A4, le linee di produzione di STMicroelectronics lavorano per produrre giorno e notte un numero impressionante di sensori inerziali microelettromeccanici (MEMS): ben 3 milioni di pezzi al giorno.

Avete letto bene, non è un errore di battitura e diventano approssimativamente 1 miliardo di sensori all’anno, equivalenti a circa il 50% del fabbisogno mondiale di questi ormai fondamentali componenti che combinano sullo stesso chip di silicio strutture meccaniche e circuiti elettronici.

E’ grazie agli accelerometri, ai giroscopi e ai magnetometri di ST che le famiglie si divertono con la Wii e il vostro iPhone è capace di cambiare da solo l’orientamento dello schermo quando lo girate.

Vediamo cosa sono, a cosa servono e come si collaudano i sensori di movimento realizzati con le tecniche della micromeccanica sotto forma di chip di silicio.

A cosa servono i sensori MEMS

La tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) permette di sfruttare contemporaneamente le proprietà elettriche e meccaniche del silicio unite alle comuni tecniche di fabbricazione microelettronica per realizzare componenti elettronici che vengono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni informatiche, di elettronica di consumo, industriali e per l’automobile.

Ad esempio, la capacità di misurare o individuare il movimento (vibrazione, inclinazione, accelerazione, etc…) dei sensori MEMS cosiddetti inerziali (motion MEMS) viene sfruttata per risparmiare energia, realizzare prodotti più facili da usare e interagire con giochi elettronici, smartphone, tablet e altri dispositivi portatili con modalità più naturali ed efficaci.

Infatti, sfruttando le eccellenti proprietà fisiche strutturali del silicio (più robusto, con caratteristiche termiche migliori e un peso specifico pari ad un terzo di quello dell’acciaio) è possibile realizzare microsensori per la rilevazione di grandezze fisiche: pressione, vibrazioni, accelerazione lineare, accelerazione angolare e così via.

Il silicio, inoltre, permette di realizzare le funzioni che trasformano le grandezze meccaniche misurate in segnali analogici e digitali facilmente interpretabili da un sistema elettronico complesso. Tutto ciò in un dispositivo alloggiato in un contenitore minuscolo, che si trasforma in una micromacchina intelligente e completa.

Collare airbag per bici che utilizza un accelerometro MEMS per rilevare la cadute

Nel settore dell’elettronica di consumo, questi sensori possono aggiungere un’interfaccia uomo-macchina intuitiva ai telecomandi dei videogiochi e agli apparati portatili come smartphone e tablet, consentendo ai movimenti del polso, del braccio e della mano dell’utilizzatore di trasformarsi in interazioni con le applicazioni, per navigare in spazi aperti o chiusi, o far muovere i personaggi in un gioco elettronico.

Gli accelerometri MEMS sono anche essenziali per i giochi di realtà virtuale o nei dispositivi a supporto delle attività sportive per identificare i movimenti di varie parti del corpo.

I sensori MEMS sono utilizzati sempre più spesso nelle macchine fotografiche digitali o nelle fotocamere integrate nei telefoni cellulari per compensare e stabilizzare i movimenti non voluti mentre si scattano le foto.

Nel mercato emergente dei robot giocattolo e dei robot di servizio, accelerometri e giroscopi avvertono i movimenti del robot in modo che il robot abbia consapevolezza della sua posizione nello spazio.

Nel segmento informatico, i sensori MEMS aiutano a proteggere l’integrità dei dati nei laptop e negli altri apparati portatili. In caso di caduta libera o altro movimento anormale, un sensore MEMS dà prontamente al sistema l’ordine di fermare le operazioni di lettura e scrittura, e di spostare la testa magnetica che legge l’hard disk in posizione di sicurezza.

Nel campo automobilistico, i sensori MEMS hanno da molti anni numerosi utilizzi, fra cui i sensori degli airbag, gli allarmi antifurto e i sistemi di navigazione. In quest’ultimo caso, sono usati nei sistemi di navigazione assistita in cui il monitoraggio del movimento e della distanza percorsa è utilizzato per mantenere letture corrette di posizionamento nel caso di assenza temporanea del segnale GPS.

Navigazione di precisione all'interno di edifici tramite sensori MEMS per ovviare all'assenza di copertura GPS

Sono sempre i sensori MEMS che guidano gli utilizzatori delle applicazioni di navigazione all’interno degli edifici o dei centri commerciali dove il segnale GPS non può arrivare; oggi sono in grado di rilevare con precisione non solo la posizione esatta nelle due dimensioni, ma anche il piano a cui ci si trova in un edificio.

Nel settore industriale, gli accelerometri MEMS sono utilizzati per individuare le vibrazioni negli elettrodomestici, come lavatrici, lavastoviglie e altri nuovi elettrodomestici, in modo da avvisare gli utenti di carichi sbilanciati e individuare l’usura eccessiva di parti meccaniche prima che si verifichi un malfunzionamento.

I sistemi di sicurezza rappresentano un’altra importante area di applicazione: allarmi antifurto basati su accelerometri MEMS possono individuare il movimento in ogni direzione desiderata, proteggendo auto, valigette, laptop e altro hardware mobile da una rimozione non autorizzata e individuando il movimento di porte e finestre.

Sono state anche realizzate tutta una serie di applicazioni per il benessere e la persona, con sensori MEMS posti nella suola della scarpa oppure indossabili che possono comunicare con un cellulare o un lettore multimediale per accompagnare chi corre per sport a tenere traccia dello sforzo e del percorso compiuto.

Come funziona un sensore MEMS

L’idea di fondo di un sensore MEMS è la realizzazione di una struttura meccanica che si sposta in qualche modo in funzione della grandezza fisica che si intende rilevare.

La struttura meccanica è allo stesso tempo parte di una struttura elettrica, ad esempio un condensatore o una resistenza.

Le variazioni della grandezza fisica che si intende misurare (accelerazione lineare, accelerazione angolare, pressione, campo magnetico, etc..) provocano lo spostamento della struttura meccanica, che a sua modifica leggermente il comportamento della struttura elettrica di cui fa parte.

Rilevando le minuscole variazioni del comportamento elettrico della struttura meccanica che si muove, si ricava con opportune elaborazioni un segnale di uscita analogico o digitale legato alla variabile fisica che si intende misurare.

Supponiamo di voler costruire un sensore di accelerazione lineare ad un asse, ad esempio verticale.

Il principio di misura è concettualmente semplicissimo.

L'accelerazione modifica il rapporto tra le due capacità in funzione dello spostamento della massa mobile

Basta prendere una massa e attaccarla con una molla ad un punto fisso. Immaginiamo di prendere una palla e agganciarla con una molla ad un mensola. In condizioni di equilibrio la palla è attratta verso il basso dalla forza di gravità e si dispone ad una certa distanza verticale dalla mensola che dipende dalla rigidità della molla.

Se spostiamo velocemente la mensola alzandola e facendola accelerare, la palla comincerà anch’essa a muoversi verso l’alto, ma la sua distanza dalla mensola inizialmente aumenterà a causa della sua inerzia e in funzione dello smorzamento introdotto dall'attrito dell'aria con la ben nota relazione dinamica dei sistemi massa-molla smorzati.

Se immaginaste di aver collegato palla e mensola ad un circuito elettrico, avreste anche creato un condensatore, il cui dielettrico in questo caso era l’aria e la cui capacità sarebbe dipesa anche dalla distanza tra palla e mensola.

Negli accelerometri MEMS si fa la stessa cosa, anche se le dimensioni in gioco sono quelle tipiche dei circuiti integrati e per vedere masse, molle e armature dei condensatori ci vuole il microscopio.

Tanto per dare qualche riferimento indicativo, in un tipico accelerometro MEMS le masse mobili sono dell'ordine del milionesimo di grammo, gli spostamenti delle molle pari alle dimensioni di qualche decina o centinaia di atomi e le fluttuazioni di carica nei condensatori dell'ordine di una decina di elettroni!

Particolare del condensatore variabile nella struttura meccanica del sensore MEMS

Lo scopo della parte micromeccanica di un sensore di accelerazione MEMS è di realizzare un condensatore variabile, la cui capacità varia in base all’accelerazione applicata.

Una delle armature è ancorata alla base delle piastrina di silicio, mentre l’altra armatura, sempre in silicio, è collegata a una massa mobile che si sposta leggermente quando subisce un’accelerazione e varia di conseguenza la capacità del condensatore di cui fanno parte.

Nei sensori MEMS la struttura mobile si muove all’interno di uno spazio delimitato da due strutture fisse, che quindi elettricamente vanno a costituire due condensatori congiunti di capacità variabile.

Poiché le strutture elementari dei sensori MEMS hanno dimensioni dell’ordine dei micron, per ottenere un valore di capacità sufficiente si costruisce il condensatore variabile collegando le varie facce elementari mediante una struttura a pettine, che di fatto costituisce un sistema di tanti microscopici condensatori variabili in parallelo.

Il compito del circuito elettrico connesso è pertanto quello di misurare le variazioni di capacità tra i due condensatori variabili, le quali sono talmente piccole che sostanzialmente richiedono di “contare gli elettroni” che passano nel circuito di amplificazione e misura.

Ecco perché nello stesso contenitore, che esternamente appare come un normale circuito integrato, internamente sono di solito presenti due chip di silicio distinti tra loro collegati: la struttura micromeccanica che costituisce il sensore e il sensibilissimo circuito elettronico capace di misurare le variazioni di capacità, amplificare il segnale ed eventualmente convertirlo in forma digitale per trasferirlo all’esterno tramite un’interfaccia di tipo seriale.

L’evoluzione della tecnologia MEMS ha permesso di realizzare strutture meccaniche compatte capaci di rilevare contemporaneamente diverse variabili, per esempio l’accelerazione in tre dimensioni ortogonali.

Forze di Coriolis agente sulla struttura micromeccanica in movimento quando è sottoposta ad accelerazione angolare su un asse ortogonale

Un altro esempio molto importante per la rilevazione del moto è il giroscopio, che consente di rilevare le accelerazioni angolari.

In questo caso il principio di misura è basato sulla forza di Coriolis che si genera ortogonalmente quando un oggetto in movimento è sottoposto a un’accelerazione.

Nel giroscopio la struttura micromeccanica e il circuito elettrico hanno un comportamento duale: un circuito di pilotaggio mette in movimento la struttura micromeccanica tramite le forze elettrostatiche, mentre le eventuali accelerazioni angolari a cui è sottoposta la struttura micromeccanica in movimento ne influenzano le caratteristiche elettriche, anche in questo caso sotto forma di condensatore variabile.

I magnetometri MEMS (bussole elettroniche), con i quali è possibile rilevare istantaneamente l’orientamento di un oggetto, funzionano invece sul principio della variazione della resistenza di un materiale contenente elementi ferrosi quando è sottoposto a un campo magnetico ad esso perpendicolare.

Nel caso dei magnetometri MEMS, il materiale sensibile al campo magnetico è disposto in modo opportuno e collegato per formare un classico circuito a ponte di Wheatstone dal quale si rilevano le variazioni di resistenza.

L’evoluzione tecnologica trainata dall’esperienza del gruppo di sviluppo milanese di STMicrolectronics ha consentito di realizzare a bassissimo costo strutture complesse, che permettono di riconoscere azioni e movimenti con un grado di precisione eccezionale combinando intelligentemente i segnali dei vari sensori presenti nel sistema.

Ad esempio, le soluzioni più recenti commercializzate con l’acronimo iNemo possono combinare accelerometri tridimensionali, giroscopi tridimensionali, magnetometri tridimensionali e altri sensori per ottenere la precisione e velocità di rilevamento necessaria per affrontare le applicazioni più avanzate.

Per aumentare la precisione di rilevamento della posizione in altezza, è possibile aggiungere anche i nuovi sensori di pressione MEMS, che consentono di realizzare altimetri di precisione capaci ad esempio di determinare a quale piano di un edificio si trovi una persona in base alla variazioni capacitive dell’elemento micromeccanico sensibile.

Sempre sulle variazione di pressione che determinano la variazione di capacità sono basati anche i microfoni MEMS, in questo caso con una struttura ottimizzata per rilevare le onde acustiche.

Come si collauda un sensore MEMS

Sebbene i sensori MEMS siano sostanzialmente dei circuiti integrati, richiedono tecniche di taratura e collaudo decisamente diverse da quelle normalmente utilizzate nella produzione di semiconduttori.

Il problema nasce dalla necessità di verificare il corretto comportamento anche delle parte micromeccanica del dispositivo, che con le sole prove di tipo elettrico non è possibile controllare appieno.

Il motivo è dato dalla natura intrinseca del sensore, che reagisce solamente a ben determinate sollecitazioni fisiche. Se è un accelerometro, va spostato per capire se funziona, se è un giroscopio va ruotato, e così via per gli altri tipi di sensore.

Nasce quindi il problema di dover affrontare in un ambiente di produzione in grande serie, quindi con costi unitari del collaudo compatibili con i costi di un prodotto di largo consumo, l'aggiunta ai normali tester per semiconduttori utilizzati abitualmente per il collaudo dei circuiti integrati, qualche altra soluzione specializzata che riesca a ‘stimolare meccanicamente’ il dispositivo in modo opportuno durante il collaudo e la taratura.

Nel disegno qui sotto è riportato lo schema di principio dell’operazione di taratura di un giroscopio, che va montato su una tavola rotante ad accelerazione controllata per tarare in fabbrica ogni singolo componente prodotto, onde garantirne l’accuratezza delle misure che effettuerà una volta inserito nell'applicazione finale.

Vista così non sembra poi una struttura così complicata, me nella realtà dei fatti ci è voluto tutto l’ingegno degli esperti di collaudo di STMicroelectronics e della filiera locale dei fornitori specializzati per riuscire a mettere a punto un sistema automatizzato per collaudi ad alta velocità di componenti MEMS, precedentemente irrealizzabile con i normali tester per il collaudo automatico disponibili commercialmente.

Ci piace sottolineare l’efficacia del risultato raggiunto come testimonianza delle competenze reperibili nel distretto tecnologico di Milano e Brianza. Bravi!

Per non dimenticarlo, quando saremo in coda sull’autostrada A4 per entrare a Milano ci distrarremo contando mentalmente i sensori che stanno uscendo dalle linee di produzione appena al di là della corsia di emergenza…

*Ringrazio Fabio Pasolini, General Manager della divisione Motion MEMS di STMicroelectronics, per le preziose informazioni fornitemi sui sensori microelettromeccanici inerziali