Non è possibile misurare i fenomeni di un mondo tridimensionale, in modo efficiente e accurato, senza ricorrere alla tecnologia 3D. La porta tra il mondo tridimensionale e un sistema informativo è il sensore
Gli accelerometri sono i componente che misurano l’accelerazione del movimento del dispositivo su cui sono montati, trasformando una grandezza meccanica in energia. L’energia generata dallo spostamento, o dalle vibrazioni, viene così trasformata in segnale elettrico proporzionale all’accelerazione registrata dal trasduttore.
Gli accelerometri possono effettuare la misurazione su uno, due o tre assi, i componenti più comunemente utilizzati sono di tipo triassiale. I modelli più avanzati sono dotati anche di memoria, interfaccia e software per la gestione delle misurazioni.
Gli accelerometri servono a misurare, oltre alle vibrazioni e alle oscillazioni, l’accelerazione, la velocità e lo spostamento di un corpo soggetto a sollecitazioni come ponti, edifici, hard-disk, apparecchiature mediche, fotocamere e smartphone.
Di solito si tratta di elementi sensibili che possono arrivare a sopportare più di 50.000 g di accelerazione, dove 1 g è pari all'accelerazione causata dalla gravità terrestre.
SCH16T, sensore inerziale a 6 gradi di libertà
Murata ha di recente presentato l'introduzione di un nuovo accelerometro/giroscopio inerziale a tre assi (XYZ) con 6 gradi di libertà da utilizzare in applicazioni di posizionamento e controllo di macchine che richiedono un'elevata precisione.
SCH16T-K01 è il capostipite della nuova famiglia SCH16T, che sarà progressivamente ampliata con l'aggiunta di nuove versioni.
Per la realizzazione della famiglia di questo componente, Murata ha aggiornato e migliorato il proprio collaudato processo utilizzato per la realizzazione di MEMS 3D.
Il nuovo sensore è stato progettato per soddisfare la richiesta di soluzioni in grado di fornire un posizionamento molto accurato e per garantire prestazioni all'avanguardia, supportate dall'introduzione di un gran numero di nuove funzionalità di sincronizzazione.
SCH16T-K01 integra un sofisticato giroscopio caratterizzato da alta stabilità (0,5 dph) e bassa densità di rumore (0,3 mdps√Hz). Il range dinamico dell'accelerometro, che può arrivare a 26 g, assicura un'elevata resistenza contro fenomeni di saturazione e vibrazioni. Complessivamente, il dispositivo è contraddistinto da eccellenti caratteristiche di linearità e di stabilità dell'offset in tutto l'intervallo della temperatura operativa.
La compensazione interna incrociata evita calibrazioni dispendiose in produzione; SCH16T-K01 è in grado di eseguire misure estremamente accurate in applicazioni di guida e controllo di vari tipi di macchine, senza richiedere ulteriori calibrazioni sul campo.
Ideale per l'uso in ambiente industriale, SCH16T-K01 può essere utilizzato in diversi altri ambiti, dalle macchine agricole all'edilizia, dalle apparecchiature per la movimentazione dei materiali alla strumentazione marina.
La tecnologia Murata per i sensori 3D MEMS
La tecnologia 3D MEMS di Murata è basata sul set di strumenti e sui processi con cui si realizza la produzione di dispositivi a semiconduttore, che fornisce capacità di produzione di massa ed efficienza in termini di costi.
Ciò significa che tutte le operazioni di produzione sono eseguite su wafer di silicio contenenti migliaia di dispositivi, questo garantisce un livello di economia simile a quello dei circuiti integrati a semiconduttore.
I sensori a base capacitiva di Murata sono realizzati in silicio monocristallino e vetro, materiali che garantiscono un'alta affidabilità, alta precisione e una notevole stabilità nel tempo e in temperatura.
L'uso del silicio come materia prima, la deposizione di pellicole sottili e la modellazione mediante mezzi fotolitografici sono simili a quelli impiegati nella realizzazione dei circuiti integrati; tuttavia, poiché il rilevamento del mondo tridimensionale richiede sensori tridimensionali, alcuni strumenti e processi specifici sono stati aggiunti al toolbox per 3D MEMS.
I sensori meccanici sono basati su molle, corpi inerziali e condensatori di rilevamento. Nei MEMS 3D questi vengono direttamente ricavati sul wafer di silicio, utilizzando processi di incisione specifici del settore MEMS. Dagli anni '70 è stata utilizzata l'incisione chimica a umido del silicio con agenti alcalini. Il metodo produce un'anisotropia della velocità di incisione, dipendente dalla direzione del cristallo, che consente un controllo preciso delle dimensioni.
Questa tecnologia di incisione tradizionale è stata in seguito migliorata utilizzando il metodo di incisione a secco: incisione profonda con ioni reattivi o DRIE (Deep reactive-ion etching). Ciò offre anisotropia basata sulla direzione del flusso ionico normale alla superficie del wafer. DRIE consente molta più libertà di progettazione e una maggiore densità di strutture rispetto all'attacco umido ed è la tecnologia scelta per giroscopi e accelerometri multiasse.
Per un controllo preciso del processo di attacco in direzione verticale e per ottenere l'isolamento elettrico delle strutture di silicio è necessario uno strato isolante sotto le strutture attive. A questo scopo Murata utilizza wafer di silicio su isolante (SOI - Silicon On Insulator) e di silicio su isolante con cavità (CSOI). Questi wafer consentono un buon controllo delle dimensioni verticali delle strutture MEMS 3D, un elevato grado di libertà nella progettazione della forma e un buon isolamento con basse capacità parassite.
I circuiti integrati sono isolati dagli influssi ambientali depositando strati di selezionati materiali sulla parte superiore del wafer; ciò non è possibile con i MEMS poiché le strutture devono rimanere mobili. In questo caso la passivazione si ottiene incollando un secondo wafer sopra al wafer MEMS. Questo è chiamato cap wafer o wafer di copertura ed è caratterizzato da un controllo dimensionale estremamente rigoroso.
I wafer di copertura si basano su una tecnologia proprietaria per strutture eterogenee di vetro-silicio, offrono alcune decine di via elettrici verticali che lo attraversano. Grazie allo stretto controllo dimensionale, questi wafer di copertura offrono anche la possibilità di avere elettrodi per il rilevamento capacitivo verticale.
I sensori sono sigillati ermeticamente già a livello di processo del wafer per soddisfare requisiti di packaging ridotti. Nessuna particella contaminante o sostanza chimica estranea può quindi entrare nel sensore sigillato, un fatto che ne garantisce un alto livello di affidabilità.
Le tecnologie system-in-package sono utilizzate per combinare uno o più elementi di rilevamento con circuiti di elaborazione del segnale. I package in plastica stampata e sovrastampata, particolarmente robusti e affidabili, sono utilizzati per prodotti automobilistici e industriali.
Accelerometri e giroscopi capacitivi
Nei suoi dispositivi Murata utilizza il principio di rilevamento capacitivo che si basa sulla variazione della distanza tra due superfici. La capacità di immagazzinamento della carica in una coppia di superfici dipende dalla loro distanza e dall’area della superficie interessata. I sensori MEMS 3D di Murata sono strutture robuste molto sensibili alle forze inerziali e alla pressione, ma sono insensibili ad altre variabili ambientali.
La simmetria e l’adozione di particolari principi di progettazione degli accelerometri e dei giroscopi aiutano a migliorare la stabilità, la linearità, la sensibilità trasversale e la suscettibilità alle vibrazioni.
Per assecondare le esigenze dell'applicazione, gli elementi degli accelerometri, dei giroscopi e dei sensori di pressione possono essere progettati per soddisfare una data sensibilità, un campo di misura e una risposta in frequenza specifici. Gli elementi accelerometro e giroscopio sono disponibili sia per la misurazione nel piano che secondo l'asse z, nonché per il rilevamento a 3 assi. I giroscopi possono essere utilizzati per segnali piccoli come la rotazione terrestre e per segnali più ampi, come nel caso del movimento di una mano umana.
Sensori per bassi valori di accelerazione
Il principio del rilevamento dell'accelerazione nei sensori low g è semplice e affidabile: l'inerzia di un corpo in movimento viene convertita in forza in base alla seconda legge di Newton (F=m·a). Questo è lo stesso fenomeno che dà agli esseri umani un senso di accelerazione o movimento.
Gli elementi base degli accelerometri sono la molla, la massa inerziale e le strutture di supporto circostanti; la molla collega la massa al supporto. Quando la velocità a cui è sottoposto il sensore cambia, la massa inerziale è costretta a seguirne il cambiamento tramite l'accoppiamento a molla.
Dato che è necessaria una forza per modificare il movimento della massa inerziale, è a causa di questa forza che la molla viene piegata e la distanza tra il supporto e la massa cambia, proporzionalmente all'accelerazione.
In un sensore capacitivo il supporto e la massa inerziale sono tra loro isolati, formando una capacità. Al diminuire della distanza la capacità aumenta e la corrente elettrica fluisce verso il sensore; quando la distanza aumenta, avviene il contrario. In questo modo il sensore converte l'accelerazione del corpo in corrente elettrica.
Le eccellenti prestazioni dei sensori MEMS basati sulla tecnologia di misurazione capacitiva li rendono particolarmente adatti per rilevare piccoli cambiamenti nel movimento. L'elemento di rilevamento capacitivo misura l'accelerazione sia in direzione positiva che negativa ed è sensibile sia all'accelerazione che alle vibrazioni.
Il nucleo dell’accelerometro e inclinometro a un asse è un elemento di rilevamento dell'accelerazione simmetrico, microlavorato e dotato di due condensatori di rilevamento. Anche in questo caso la simmetria riduce la dipendenza dalla temperatura e dalla sensibilità trasversale, migliorando la linearità. L'ermeticità si ottiene utilizzando il legame anodico per collegare i wafer tra loro, ciò facilita il packaging dell'elemento, migliora l'affidabilità e consente l'uso dello smorzamento a gas nell'elemento sensore.
Il ricorso all’accelerometro a tre assi offre una soluzione a elemento singolo per misurare con precisione il vettore di accelerazione a basso g, le tre componenti ortogonali e la direzione. Il design del sensore si basa su masse inerziali multiple sospese asimmetricamente con molle di torsione. Per ciascuna massa viene utilizzato il rilevamento capacitivo simile al sensore a un asse. Il concetto consente risposte lineari molto simili in tutti e tre gli assi di misurazione.
Sensori giroscopici
Il moto ha sei gradi di libertà: traslazioni in tre direzioni ortogonali e rotazioni attorno a tre assi ortogonali. Gli ultimi tre vengono misurati da un sensore di velocità angolare, il giroscopio.
Un giroscopio si basa sulla seconda legge di Newton, proprio come un accelerometro; quando si aggiunge la rotazione alle equazioni di Newton appare un termine matematico che descrive una forza virtuale chiamata forza di Coriolis, che è il risultato di due moti ortogonali ed è ortogonale ad entrambi. La conversione della rotazione in forza di Coriolis è la base del funzionamento del giroscopio.
Nei giroscopi è necessario un movimento primario, ma in quelli a tecnologia MEMS il movimento primario non può essere una rotazione continua come in quelli convenzionali a causa della mancanza di cuscinetti. In questo caso è l'oscillazione meccanica ad essere utilizzata come movimento primario.
Quando il giroscopio è soggetto a velocità angolare ortogonale alla direzione del movimento primario, ne risulta una forza ondulatoria di Coriolis. Ciò crea un'oscillazione secondaria ortogonale a quella primaria e all'asse della velocità angolare e alla frequenza dell'oscillazione primaria. Nel giroscopio di Murata l'ampiezza dell’accoppiata di oscillazione è la misura della velocità angolare e viene rilevata capacitivamente.
Il giroscopio a tre assi di Murata si basa su un'unica modalità di oscillazione complessa come movimento primario per tutti e tre gli assi; ciascun asse viene rilevato separatamente. L'elettronica dell'interfaccia si basa su un nuovo concetto di rilevamento di fase, che ha consentito di ottenere la dimensione più piccola tra i giroscopi di livello consumer. Questi giroscopi sono utilizzati nel controllo dell'interfaccia utente e nella stabilizzazione ottica dell'immagine dove eliminano la maggior parte delle risposte spurie e della suscettibilità alle vibrazioni che affliggono molti progetti di giroscopi MEMS.
