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.