I segnali deboli vengono elaborati e amplificati dal sistema elettronico integrato e trasmessi tramite un'interfaccia analogica o digitale. I MEMS hanno reso possibili numerose applicazioni innovative sotto forma di sensori di accelerazione, giroscopi, sensori di pressione e microfoni di dimensioni minime. I mercati dei prodotti di consumo e della telefonia mobile, così come l'industria automobilistica, sono stati i pionieri. Sono stati i primi a comprendere il potenziale dei sensori MEMS, sia per le console che permettono agli utenti di vincere le Olimpiadi dal salotto di casa, sia per i telefoni cellulari che reagiscono al movimento, per le fotocamere con stabilizzazione dell'immagine, sia per i sistemi airbag ed ESP nelle automobili.
A questo proposito, il mercato internazionale dei MEMS è in costante crescita e vanta attualmente un fatturato di circa un miliardo di dollari. Bosch, leader internazionale nel mercato dei MEMS, ha venduto un miliardo di unità nei tredici anni compresi tra il 1995 e il 2008, raggiungendo i due miliardi in soli tre anni. Anche STMicroelectronics ha registrato una crescita inaspettata: nel 2011, l'azienda è riuscita ad aumentare le vendite di sensori MEMS dell'80%, principalmente nei mercati dei prodotti di consumo e della telefonia mobile, diventando così uno dei leader di mercato in questo settore. Ora, l'azienda intende applicare l'esperienza acquisita ad altri mercati. Le potenzialità in tal senso sono notevoli: i sensori MEMS offrono nuove applicazioni in quasi tutti i settori e possono rendere le applicazioni esistenti più comode, sicure ed efficienti dal punto di vista energetico, oppure aiutarle a distinguersi dalla concorrenza integrando nuove funzionalità. La rivoluzione che si è già verificata nel mercato della telefonia mobile deve ancora arrivare anche qui.
Comfort utente migliorato.
Il settore dell'interfaccia uomo-macchina (HMI) è un campo di applicazione molto promettente. L'esperienza maturata con le applicazioni per telefoni cellulari può essere sfruttata in questo ambito, poiché le funzioni di tocco singolo e doppio tocco possono essere facilmente implementate. Anche il controllo vocale può essere utilizzato nelle applicazioni HMI. A questo proposito, i telefoni cellulari dimostrano ancora una volta le potenzialità: gli utenti iPhone possono aggiungere appuntamenti o inviare e-mail utilizzando Siri. I microfoni MEMS consentono questo tipo di controllo e riconoscimento vocale anche in altri dispositivi, come i sistemi di navigazione. Tutto ciò grazie alla combinazione di dimensioni minime, elevata qualità del suono e durata. Questi vantaggi possono essere applicati anche a dispositivi vivavoce o sistemi per conferenze senza costi aggiuntivi. Ad
esempio, STMicroelectronics offre microfoni MEMS più efficienti e robusti rispetto ai tradizionali microfoni a elettrete (ECM). I modelli MP34DT/DB01 / MP45DT02 attualmente disponibili hanno un rapporto segnale/rumore (SNR) di 63 dB con una risposta in frequenza molto piatta (da 20 Hz a 20 kHz).
Maggiore sicurezza:
i sensori di velocità di rotazione contribuiscono alla sicurezza delle macchine perforatrici. Registrano la rotazione della punta nel momento in cui questa entra in contatto con il calcestruzzo e la arrestano automaticamente. I sensori di accelerazione consentono il "rilevamento della caduta libera", attualmente utilizzato principalmente negli hard disk dei computer portatili. Se il sensore rileva una caduta libera, si assicura che la testina di lettura/scrittura non urti contro l'hard disk, ma si ritragga in tempo. Questo principio può essere applicato anche al telecomando di una motosega o di una gru per garantire che il dispositivo rimanga in uno stato di sicurezza attivando un arresto di emergenza in caso di caduta libera.
I sensori di accelerazione registrano anche i minimi movimenti e vibrazioni, rendendo facile ed efficace la protezione di oleodotti e gasdotti o macchinari automatizzati da atti vandalici e la salvaguardia di beni di valore dai furti. La registrazione delle vibrazioni delle macchine consente inoltre di verificarne il corretto funzionamento.
I sensori di pressione barometrica MEMS sono in grado di misurare le differenze di livello con una precisione di 25 cm. Rispetto ai sistemi di localizzazione satellitare, inefficaci negli ambienti interni a causa della scarsa o assente ricezione del segnale, consentono applicazioni come la navigazione indoor in grandi magazzini o parcheggi. Ciò è possibile perché misurano la pressione atmosferica, a partire dalla quale calcolano l'altezza e assegnano il piano. Vengono utilizzati anche nei sistemi di navigazione, ad esempio per localizzare un veicolo in edifici a più piani. Nelle applicazioni per vigili del fuoco e forze dell'ordine, i sensori di pressione MEMS possono persino salvare vite umane individuando la posizione di persone intrappolate negli edifici.
Maggiore efficienza:
se un dispositivo si spegne immediatamente in caso di malfunzionamento, aumenta anche la sua efficienza energetica. Questa può essere ulteriormente ottimizzata combinando diversi sensori. Ad esempio, in una lavatrice, i sensori di pressione possono misurare il livello di riempimento, mentre i sensori di accelerazione calcolano il carico e regolano di conseguenza i programmi di lavaggio e asciugatura. I sensori di accelerazione attivano lo spegnimento automatico 
di dispositivi come telecomandi, lampade o apparecchiature audio se non rilevano alcun movimento per un periodo di tempo specificato.
STMicroelectronics e Bosch Sensortec offrono prodotti di punta per questo tipo di applicazioni: i sensori di accelerazione MEMS a tre assi LIS3DH (STMicroelectronics) e BMA250 (Bosch Sensortec) sono particolarmente adatti per dispositivi mobili, in quanto offrono entrambi un notevole risparmio energetico e dimensioni molto compatte. Il LIS3DH richiede solo 2 mA di potenza in modalità a bassissimo consumo, mentre il modello Bosch richiede meno di 5 µA in modalità a basso consumo. Le loro dimensioni di 3 x 3 x 1 mm (LIS3DH) e 2 x 2 x 0,95 mm (BMA250) sono ideali per applicazioni con spazio limitato. Entrambi i sensori forniscono valori di misura accurati entro intervalli di misura programmabili di +/-2 g, +/-4 g, +/-8 g e +/-16 g, con una sensibilità di 1 mg/cifra nel LIS3DH e 256 LSB/g nel BMA250 nell'intervallo di 2 g. La loro risoluzione digitale è rispettivamente di 12 bit e 10 bit, e l'offset tipico a gravità zero sull'intera durata di vita è di +/- 40 mg nel modello ST e di +/- 80 mg nel modello Bosch.
Per i dispositivi mobili, sono degne di nota anche la gestione intelligente dell'alimentazione, il rilevamento della caduta libera e il conteggio dei passi. Per le applicazioni HMI, i sensori offrono l'adattamento del display su schermo e il controllo tramite tocco e doppio tocco. Sono inoltre compatibili con le funzioni di gioco e realtà virtuale. Entrambi i produttori forniscono strumenti software e hardware per i test iniziali con un'interfaccia grafica intuitiva. Ciò consente facili regolazioni e test, seguiti da una perfetta integrazione nell'applicazione. Sia ST che Bosch offrono schede programmabili, interfacce di programmazione delle applicazioni (API) e controller di basso livello.
Maggiore libertà di movimento.
I diversi tipi di sensori non devono essere considerati isolatamente. La loro combinazione consente applicazioni con un grado di sensibilità molto elevato, quasi paragonabile alla sensibilità umana. Ad esempio, i sensori di accelerazione combinati con un giroscopio sono in grado di creare profili di movimento complessi. Entrambi i sensori sono disponibili anche integrati in un unico modulo, come l'LSM330DLC di STMicroelectronics. Questo modulo include il sensore di accelerazione a tre assi LIS3DH e il giroscopio a tre assi L3GD20 in dimensioni compatte di soli 4 x 5 x 1,1 mm. Il giroscopio offre un intervallo di misurazione completo da ±250 dps a ±2000 dps ed è dotato di un interruttore programmabile.
A questo proposito, questi tipi di sensori e moduli MEMS consentono il monitoraggio a distanza di pazienti o anziani senza limitarne la libertà di movimento. Ad esempio, in caso di caduta, è possibile avvisare immediatamente un infermiere, oppure localizzare persone disorientate che si sono perse. Anche la terapia occupazionale, l'allenamento sportivo e la somministrazione di farmaci possono essere adattati con precisione ai profili di movimento individuali e quindi progettati in modo più efficace. Nei misuratori di pressione sanguigna, il sensore può controllare la posizione del braccio, garantendo letture accurate, soprattutto per l'uso domestico. Nel settore zootecnico, il modulo sensore LSM330DLC consente di determinare individualmente la quantità di foraggio necessaria in base ai movimenti dell'animale.
Maggiori gradi di libertà:
i moduli sensore che combinano un numero maggiore di tipi di sensori offrono ancora più gradi di libertà (DoF). Grazie alle loro dimensioni relativamente ridotte, sono particolarmente adatti per applicazioni con spazio limitato. Attualmente, le combinazioni più diffuse includono sensori di accelerazione, giroscopio e bussola. STMicroelectronics ha recentemente introdotto un modulo multisensore con nove gradi di libertà. L'iNEMO M1 integra un sensore di accelerazione a tre assi, un sensore magnetico a tre assi, un giroscopio a tre assi, un 
microcontrollore STM32 a 32 bit e un software specializzato, il tutto in un ingombro compatto di soli 13 x 13 x 2 mm. Ciò consente di registrare accelerazioni lineari, velocità angolari e il campo magnetico terrestre, permettendo una determinazione precisa di direzione, posizione e movimento. Il software di fusione dei sensori combina i segnali di uscita di tutti i sensori e gli algoritmi di predizione e filtraggio correggono automaticamente distorsioni e imprecisioni nelle misurazioni. Ciò consente al modulo di offrire un maggiore grado di realismo in applicazioni quali videogiochi, interfacce uomo-macchina, robotica, dispositivi di navigazione indossabili e monitoraggio dei pazienti.
Un'ampia gamma di opzioni.
Gli esempi dimostrano che i campi di applicazione e le possibilità dei sensori MEMS sono praticamente illimitati. Tuttavia, rappresentano una sfida per gli sviluppatori che desiderano utilizzarli nelle proprie applicazioni. Spesso, all'inizio dello sviluppo, non è chiaro quale tipo di sensore sia più adatto per raggiungere l'obiettivo desiderato. L'ampia gamma di modelli offerti dai produttori garantisce che la visione rimanga chiara fin dalle prime fasi dello sviluppo. Rutronik vanta di gran lunga la gamma più completa di sensori e sensori MEMS, con prodotti innovativi di produttori rinomati. Questa vasta selezione consente di trovare la soluzione più adatta a ogni applicazione.
Autore:
Autore: Martin Grimmer, Senior Marketing Manager Analog & Sensors presso Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
