Oggigiorno la tecnologia sta diventando una presenza fissa nella nostra vita. La tendenza è quella di avere dispositivi con ulteriori funzioni, che ci permettano di avere libertà sempre maggiore. In particolare, i nostri smartphone stanno diventando un vero e proprio agglomerato di questi sensori: rilevano tantissime grandezze fisiche, e le elaborano per fornirci una visione della realtà che ci circonda molto più dettagliata di quella che ci è normalmente permessa dai nostri sensi. Gran parte del merito di questo progresso, è dovuto a dei dispositivi che non superano il mm2, i MEMS (Micro Electro Mechanical Sistem). Scopriamo assieme perché sono così utilizzati oggi, come funzionano, e come effettuare i nostri test su questi device!
Introduzione
L’elemento essenziale di un MEMS è la molla: questa permette al sistema di rilevare svariate grandezze fisiche, tra le quali accelerazione, accelerazione angolare, campo magnetico, e altro ancora. Per chiarire come ciò sia possibile, iniziamo esaminando la struttura più semplice attribuibile a questi sensori, una massa mobile collegata a delle molle (figura 1).
Figura 1: Una massa ancorata a delle molle può muoversi lungo una direzione
In grigio sono evidenziati i punti di ancoraggio; sono zone che, durante il processo di produzione, vengono fissate permanentemente al substrato del sensore, in modo da rimanere ferme nella propria posizione. In verde, la massa del sensore che provvede a convertire un'accelerazione esterna in forza; entro questa massa (qui indicata inverosimilmente come blocco pieno), sono in realtà posizionati sistemi di rivelazione di cui parleremo più avanti. In rosso invece, abbiamo degli elementi che fungono da molle; queste, a fronte di una accelerazione esterna, muovono la massa secondo una legge ben specifica:
Risolvendo l’equazione nel dominio di Laplace (riportiamo solo il risultato finale, cercando di non tediare il lettore), si ottiene:
e riscrivendo il modulo in termini di frequenza di risonanza e fattore di qualità Q diviene:
Questa formula fornisce lo spostamento della massa m a fronte di una forza (dunque un’accelerazione) esterna; il modulo è graficamente rappresentato dalla figura 2.
Figura 2: Modulo vs Frequenza relativo allo spostamento di una massa m a fronte di una forza esterna
Questa trasduzione è applicabile a tutti i MEMS che lavorino con molle; alcuni, come gli accelerometri, lavorano nella zona a bassa frequenza (le accelerazioni non raggiungono valori elevati), lontano dalla frequenza di risonanza. Altri, come [...]
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La realizzazione di dispositivi MEMS è essenzialmente opera di microelettronica: i processi impiegati per realizzare circuiti integrati vengono utilizzati anche per la costruzione di MEMS che trovano spazio soprattutto nella microscopia (e non solo). Da notare come l’ingegneria del MEMS sta trovando una interessante integrazione anche nella fotonica, per non parlare dei sistemi di energy harvesting. Ottimo articolo!
Si, il settore dei MEMS sta prendendo piede nella maggior parte delle applicazioni che hanno bisogno di interfacciarsi con fenomeni fisici, e ci riescono con grande efficienza; stanno rimpiazzando gran parte dei trasduttori fisici ad oggi esistenti, vista la loro vastissima integrabilità. Grazie mille!