Dezvoltatorii de aplicaţii mobile, la fel ca şi cei de aplicaţii pentru jocuri sau automotive, au fost primii care au aflat avantajele utilizării senzorilor MEMS. Aceşti senzori deschid o multitudine de opţiuni pentru aplicaţii în industrie, medicină şi sfera aparatelor electrocasnice.
de Martin Grimmer, Marketing Director – Sisteme analogice şi senzori Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
Deosebit de atractive pentru multe aplicaţii sunt accelerometrele pe 3 axe. Cu un cost mult sub 1 Euro şi o multitudine de caracteristici, acestea oferă un raport excelent calitate – preţ. Printre produsele care se remarcă în prezent şi care conţin accelerometrele cu 3 axe MEMS se numără LIS3DH de la STMicroelectronics şi BMA250E de la Bosch Sensortec.
Ambele sunt extrem de eficiente energetic, au dimensiuni reduse şi, prin urmare, sunt recomandate în special pentru aplicaţii în dispozitivele mobile. Datorită modului low power, consumul de energie al modelelor ST LIS3DH poate fi redus la numai 2μA, iar senzorul de la Bosch Sensortec are nevoie de mai puţin, de 5μA. Cu ajutorul funcţiei Wake-up on Motion (“trezire la mişcare”), consumul de energie pentru toate aplicaţiile este redus semnificativ şi durata de viaţă a bateriei va creşte. Aplicaţia este setată iniţial în modul “sleep“, iar în momentul în care senzorul MEMS înregistrează o mişcare, aplicaţia este reluată (Gestionarea Inteligentă a Energiei).
Dimensiunile carcaselor senzorilor de 3 × 3 × 1mm (LIS3DH) sau 2 × 2 × 0,95mm (BMA250E) sunt ideale pentru aplicaţiile în care spaţiul este esenţial.
Ambele modele oferă valori exacte cu privire la intervalele programabile de măsurare de ± 2g, ± 4G, ± 8G şi ± 16G, cu o sensibilitate de la 1mg/unitate binară pentru LIS3DH sau 256LSB/g pentru BMA250E în intervalul de 2g. Senzorii au o rezoluţie digitală de 12-biţi sau 10-biţi, iar compensarea tipică 0g de-a lungul întregului ciclu de viaţă este de ± 40 mg la ST şi ± 80 mg la Bosch.
Multitudinea de caracteristici oferă nenumărate posibilităţi pentru aplicaţii
Ambele accelerometre dispun de funcţia freefall detection (“detectarea căderii libere”), care este în prezent utilizată cu precădere în hard-drive-urile laptop-urilor astfel: capul de scriere şi cel de citire sunt aduse într-o poziţie sigură, de îndată ce senzorul înregistrează căderea liberă. Pe acest principiu, şi utilaje, cum ar fi ferăstrăul cu lanţ sau macaraua cu control de la distanţă, sunt aduse într-o stare de siguranţă la depistarea căderii libere, prin intermediul opririi de urgenţă. Datorită detectării celor mai mici mişcări şi vibraţii, cum ar fi schimbarea poziţiei, accelerometrele sunt eficiente în protecţia împotriva actelor de vandalism sau furt, de exemplu din conductele de petrol, de gaze, automate sau obiecte de valoare.
Înregistrarea de vibraţii poate fi utilizată pentru a verifica funcţionarea corespunzătoare a utilajului şi pentru a declanşa oprirea de urgenţă în caz de funcţionare neconformă. Aplicaţiile HMI pot fi furnizate prin folosirea unor senzori cu caracteristici noi, îmbunătăţite. Cu ajutorul aşa-numitului display profile switching (“comutarea profilului ecranului”), alinierea imaginii în unităţile de comandă portabile poate fi adaptată, atunci când ecranul este rotit la 90° – similar cu aparate foto digitale.
Funcţia flat detection permite, de exemplu, prin recunoaşterea poziţiei, oprirea sunetului (la smartphone) sau întreruperea unei aplicatii dacă există vibraţii. În multe aplicaţii, este posibil controlul accelerometrelor printr-o atingere sau o atingere dublă. Aceasta elimină necesitatea existenţei unui buton suplimentar şi astfel dă posibilitatea unui control simplificat.
Atractive pentru aplicaţiile mobile de fitness sau pentru monitorizarea sănătăţii sunt şi funcţiile de pedometru şi monitorizarea activităţii, care pot fi realizate prin intermediul accelerometrelor cu 3 axe. Acestea înregistrează acţiunile de mişcare ale utilizatorilor şi, astfel, calculează distanţa parcursă şi numărul de calorii arse. În eventualitatea unei căderi, în timpul unei excaladări de exemplu, senzorul detectează căderea liberă şi, în cazul în care corpul nu se mişcă, acesta declanşează o un apel de urgenţă.
Atât STMicroelectronics cât şi Bosch Sensortec, oferă instrumente software şi hardware pentru testări preliminare cu senzori MEMS, cu o interfaţă grafică uşor de utilizat. Astfel că dezvoltatorii pot crea şi testa intensiv diferite setări şi apoi le pot aplica direct. În acest scop, ambii producători pun la dispoziţie plăci de programare, interfaţa de programare pentru aplicaţii (API) şi unităţi drive de nivel scăzut.
O multitudine de tipuri de senzori
În plus faţă de accelerometre, pe piaţă este disponibilă o paletă largă de tipuri de senzori MEMS. Astfel, microfoanele MEMS combină calitatea ridicată a sunetului şi rezistenţa cu dimensiunile minime, pentru aplicaţii de recunoaştere şi comandă vocală.
Comparativ cu microfoanele electrice clasice convenţionale (ECM), modelele MEMS sunt mai fiabile şi rezistente şi au caracteristici mai bune pe curba de temperatură. În prezent, acestea sunt puţin mai scumpe decât microfoanele convenţionale, dar în curând vor ajunge la acelaşi preţ sau chiar mai ieftine. Acestea sunt potrivite nu numai pentru aplicaţiile HMI industriale, ci şi pentru sistemele de navigaţie, sistemele handsfree sau sistemele pentru conferinţe. STMicroelectronics oferă modele digitale (MP34DT/ DB01/MP45DT02) şi analogice (MP33AB01/B01H), cu un raport semnal-zgomot de până la 63dB, la un răspuns în frecvenţă foarte joasă. (20Hz până la 20kHz). Senzorii de viteză unghiulară contribuie la o mai mare securitate, ca de exemplu în cazul bormaşinilor. Aceştia depistează turaţia bormaşinii atunci când burghiul se blochează în beton şi asigură oprirea de urgenţă.
Senzorii de presiune barometrică MEMS măsoară presiunea aerului şi calculează valoarea înălţimii coloanei cu o precizie de 25cm. Astfel, senzorii de presiune deschid noi posibilităţi de aplicare pentru navigaţia în mediul interior, în parcările magazinelor sau în parcurile auto. Pot ajuta chiar şi în operaţiunile pompierilor şi poliţiei, salvând vieţi, prin afişarea locurilor din clădiri în care se găsesc persoane accidentate.
În sistemele de navigaţie, acestea oferă poziţia exactă a vehiculului pe străzi cu mai multe benzi.
Prin combinarea mai multor senzori, posibilităţile se extind aproape nelimitat.
De exemplu, în cazul unei maşini de spălat: senzorii de presiune pot măsura nivelul, în timp ce accelerometrele detectează încărcarea şi senzorii optici verifică gradul de încălzire al apei, astfel încât programul de spălare/uscare să poată fi adaptat într-un mod optim.
Combinaţii de senzori
Producătorii au recunoscut şi avantajele combinării diferitelor tipuri de senzori oferind un
mixt într-un singur modul, cum ar fi LSM330D de la STMicroelectronics.
Accelerometrul cu 3 axe LIS3DH şi giroscopul în 3 axe L3GD20 au o carcasă de doar 3 × 5.5 × 1mm. Acestă din urmă oferă o scară completă de măsurare, de la ± 250 dps până la ± 2000 dps şi beneficiază şi de oprire programată.
Aceeaşi combinaţie de accelerometru cu 3 axe (BMA255) şi giroscop cu 3 axe (BMG160) este oferită şi de Bosch Sensortec, prin modelul BMI055, cu dimensiuni de 3 × 4,5 × 0,95 mm, aceasta fiind cea mai mică unitate de măsură inerţială (IMU) disponibilă în prezent pe piaţă. Cele 6 DoF ale sale (6 DoF, Grade de Libertate) şi consumul redus de energie, de numai 5,15mA în modul de operare complet, fac ca acest model să fie ideal pentru cerinţele exigente ale aplicaţiilor pentru electronicele de larg consum, cum ar fi aplicaţiile de jocuri de pe consolele multimedia, telefoanele inteligente şi PC tablete. Cu rezoluţia sa înaltă, de 16-biţi (giroscop) şi 12-biţi (accelerometru), oferă rezultate precise şi fiabile la masurare; BMI055 dispune, de asemenea, şi de un raport semnal-zgomot excelent. Scara sa de măsurare poate fi programată, de la ± 125 dps până la ± 2000 dps, pentru giroscop şi de la ± 2 g la ± 16 g, pentru accelerometru.
Acesta din urmă este, de asemenea, caracterizat printr-o compensaţie zero-g mică, de numai 70mg standard. Interfeţele digitale I2C şi SPI oferă posibilităţi multiple de comunicaţii de date.
Astfel de senzori sau module MEMS ×DoF nu numai că acceptă aplicaţii pentru jocuri, dar permit şi monitorizarea de la distanţă a pacienţilor sau a persoanelor în vârstă, fără a restrânge libertatea de mişcare a acestora. Astfel, senzorul “recunoaşte” o cădere şi acţionează pentru a avertiza un însoţitor. De asemenea, persoanele cu probleme psihice, care s-au rătăcit, pot fi găsite cu uşurinţă. Terapia ocupaţională, antrenamentele sportivilor şi dozele de medicamente pot fi adaptate cu precizie la profilul individual de mişcare şi proiectate în mod eficient. În aparatele pentru monitorizarea tensiunii arteriale, senzorul poate verifica poziţia braţului şi, deci, asigură o măsurare corectă. În zootehnie, cu un asemenea senzor MEMS cantitatea de mâncare poate fi adaptată individual, în funcţie de câtă mişcare face fiecare animal în parte.
Multifuncţionale
Modulele de senzori care combină un număr mai mare de modele de senzori au o şi mai mare libertate de mişcare. STMicroelectronics a introdus recent un asemenea modul multi-senzor: iNEMO M1 (System on board) care combină un senzor geomagnetic cu 6 axe LSM303DLHC (accelerometru cu 3 axe + senzor magnetic cu 3 axe), un giroscop cu 3 axe L3GD20, precum, un microcontroler pe 32 de biţi STM32 şi un software specific pentru fuziunea senzorilor – cu
dimensiuni de numai 13 × 13 × 2 mm. Astfel, iNEMO M1 are aproape toate percepţiile simţului uman şi, într-o oarecare măsură, le şi depăşeste. În acest fel, modulul detectează acceleraţii liniare, viteze unghiulare şi câmpul magnetic al Pământului, prin care se pot determina cu precizie locaţia, mişcările şi direcţia acestora. Software-ul combină semnalele de ieşire ale tuturor senzorilor. Distorsiunile şi inexactităţile din măsurători sunt corectate automat prin algoritmii de predicţie şi de filtrare. Giroscopul L3GD20 înregistrează mişcările de rostogolire, înclinare şi balansare, pe o scară liberă selectabilă, între ± 250°/s, ± 500°/s şi ± 2000°/s. Senzorul geomagnetic LSM303DLHC are o scară de măsură programabilă de ± 2g, ± 4g, ± 8g şi ± 16g, pentru accelerometru şi de la ± 1,3 Gauss până la ± 8,1 Gauss, pentru senzorul magnetic, precum şi o ieşire I2C. Cu aceste caracteristici, iNEMO aduce şi mai mult realism aplicaţiilor de jocuri şi realităţii virtuale interfaţă om – maşină, robotică şi dispozitive portabile de navigaţie, precum şi în monitorizarea pacientului.
Sprijin pentru dezvoltare
Abundenţa de diferite tipuri de senzori MEMS cu nivel diferit de integrare le oferă dezvoltatorilor mai multe opţiuni. De obicei, la început se poate spune cu greu cu ce tip de senzor ar putea fi realizat cel mai bine obiectivul de dezvoltare. Rutronik şi producătorii săi oferă un portofoliu incomparabil mai amplu şi mai complet al diferitelor tipuri inovatoare de senzori MEMS. Astfel, distribuitorul oferă câte o soluţie adecvată şi dezvoltatorul nu trebuie să se hotărască de la început asupra uneia dintre ele. Ei primesc suport în acest sens din partea Rutronik prin intermediul inginerilor de aplicaţii angajaţi în cadrul firmei. O prezentare generală a portofoliului poate fi găsită pe site-ul web www.rutronik.com/sensors
www.rutronik.com