“MEMS” è l’acronimo di Micro-Electro-Mechanical Systems: sistemi di piccole dimensioni che integrano funzioni meccaniche ed elettroniche sullo stesso substrato. Pensiamo, per esempio, a un sensore di temperatura o di vibrazione che integra, oltre all’elemento sensibile, anche l’elettronica necessaria per condizionare il segnale, elaborare i dati e trasmetterli.
Abbiamo chiesto al Prof. Salvatore Baglio, docente di Misure elettriche ed elettroniche all’Università di Catania, di accompagnarci alla scoperta di queste tecnologie.
“Si tratta di sensori e trasduttori realizzati con tecnologie tipiche della microelettronica e delle tecnologie microelettromeccaniche. Il settore dei MEMS ha iniziato a svilupparsi negli anni Novanta e l’impiego delle tecnologie microelettroniche ha consentito innanzitutto di ridurne le dimensioni e, di conseguenza, di aprire nuovi ambiti applicativi. Ha inoltre permesso di trasferire in questo settore tutte le conoscenze maturate da chi si occupava di rilevare una grandezza fisica e convertirla in un segnale utilizzabile all’interno di un circuito elettronico o di un computer, dove potesse essere elaborata. I sensori rappresentano la realizzazione fisica dei nostri sensi: ci permettono di tradurre le grandezze del mondo reale in variabili misurabili e di quantificarle. Le loro applicazioni sono ovunque e in tutti gli ambiti abbiamo bisogno di dispositivi capaci di misurare una grandezza esterna e convertirla in un segnale elettrico che possa essere successivamente elaborato. La realizzazione e le prestazioni dei sensori sono anche funzione delle tecnologie di fabbricazione, da quelle più tradizionali fino alle nanotecnologie passando per la tecnologia micro-elettro-meccanica. Ciascuna delle tecnologie e dei processi di fabbricazione consente anche di sviluppare specifiche tipologie di sensori”.
Come nasce un sensore MEMS?
“Un sensore MEMS nasce spesso da un’esigenza precisa: realizzare un sensore utilizzando tecnologie integrate, in modo da ottenere un sistema miniaturizzato, capace di stare sulla punta di un ago, all’interno di un telefonino o, più semplicemente, di pesare meno, integrando sullo stesso substrato funzioni diverse realizzando così un sistema di trasduzione complesso. Si parte dall’identificare il principio di funzionamento che è necessario implementare su silicio o attraverso altri materiali tipici dell’elettronica. In generale il sistema presenta una componente meccanica, che interagisce con la grandezza da misurare, e una componente che consente di convertire il fenomeno meccanico in un segnale elettrico. Quest’ultimo viene poi elaborato elettronicamente e può essere analogico o digitale. Per arrivare a un computer, naturalmente, è necessario prevedere anche i passaggi che permettono di acquisire e trasferire il segnale. Quella relativa allo sviluppo di sensori è un’attività molto stimolante perché mette insieme discipline diverse: meccanica, scienza dei materiali, fisica, chimica ed elettronica. Per affrontare problemi di questo tipo bisogna avere una visione ampia e la capacità di collegare conoscenze differenti. La fantasia è l’unico limite. La “dream application”, è quella in cui qualcuno ti chiede di misurare qualcosa per cui non esiste ancora una soluzione disponibile sul mercato. Significa partire da zero, immaginare il principio di funzionamento e sviluppare un dispositivo nuovo, anziché limitarsi ad acquistare componenti già esistenti e assemblarli in un sistema”.
Quando le vibrazioni diventano energia
“A differenza di un accelerometro, che rileva le vibrazioni per misurare l’accelerazione, alcuni dispositivi MEMS possono sfruttare le vibrazioni per generare energia elettrica. Il principio è quello di recuperare l’energia presente nelle vibrazioni ambientali, convertirla in energia elettrica e accumularla per poterla utilizzare. Realizzare questi dispositivi, soprattutto su scala micrometrica, comporta però alcune difficoltà. Riducendo le dimensioni, infatti, si riduce anche la quantità di energia che è possibile recuperare. Inoltre, quando l’energia disponibile è molto poca, anche conservarla diventa complicato: persino il passaggio della corrente attraverso un componente elettronico come un diodo può causare perdite significative”.
Dalle parole del professor Baglio risulta chiaro mostra come la ricerca in generale e quella sui MEMS in particolare, possa andare oltre l’obiettivo iniziale di un progetto aprendo nuove strade e applicazioni in ambiti diversi. Dalla misurazione delle accelerazioni al recupero di energia dalle vibrazioni, fino allo sviluppo di sensori per lo studio di fenomeni biologici, l’elettronica diventa uno strumento per esplorare meglio il mondo che ci circonda.
“Partendo da un MEMS che misurava l’accelerazione, siamo arrivati a studiare come raccogliere energia dalle vibrazioni e a realizzare circuiti meccanici che non avessero bisogno di diodi. Questo percorso ci ha portato a sviluppare un dispositivo che imita il comportamento di un neurone biologico. Si tratta di un oggetto integrato nel quale sono presenti anche una calamita e un materiale capace di produrre energia elettrica quando viene deformato (piezoelettrico). Se sollecitato opportunamente, il sistema genera un segnale che riproduce il comportamento di quello prodotto dai neuroni quando comunicano tra loro. Pertanto, attraverso la ricerca su questo tema mi sono reso conto che le sue potenzialità scientifiche erano molto più ampie di quelle del semplice accelerometro dal quale ero partito”.
Nell’ambito della ricerca su MEMS ed energy harvesting, lo studio dei sistemi dinamici non lineari ha avuto un ruolo importante.
“In questo ambito (vibration energy harvesting) le metodologie proprie dei sistemi dinamici non lineari, in particolare dei sistemi bistabili sono considerate insieme con le altre metodologie di trasduzione e sfruttando le caratteristiche dei materiali e dei sistemi elettromeccanici. Si tratta di sistemi che presentano due o più configurazioni di equilibrio stabile e che pertanto commutano da uno all’altro. Questi sistemi consentono di raccogliere energia dalle vibrazioni in un ampio intervallo di frequenze a valori tipicamente più bassi di quanto ci si può aspettare per dispositivi miniaturizzati. Il problema è che il mondo reale non offre vibrazioni a una sola frequenza, ma presenta uno spettro ampio, spesso caratterizzato da componenti a bassa frequenza. Per raccogliere efficacemente queste vibrazioni si potrebbe pensare di utilizzare un dispositivo di grandi dimensioni. Ma se l’obiettivo è realizzare un MEMS, il dispositivo non può essere troppo grande. La sfida consiste quindi nel riuscire a mantenere dimensioni ridotte e, contemporaneamente, ottenere una raccolta energetica efficace. L’associazione tra miniaturizzazione e metodologie non lineari, come quelle basate sui sistemi bistabili, permette di affrontare e risolvere proprio questo problema”.
Il magnetometro fluxgate e le applicazioni in ambito neurologico
Un’altra applicazione delle metodologie non lineari ai sensori riguarda il magnetometro fluxgate, un dispositivo che consente di misurare deboli campi magnetici dell’ordine dei picotesla.
“Il principio di funzionamento si basa su un materiale sensibile caratterizzato da un ciclo di isteresi molto particolare, con un andamento pressoché verticale. Questo permette di convertire il segnale magnetico in un segnale temporale, trasformando di fatto una grandezza analogica in un’informazione numerica. In questo modo è possibile semplificare la catena di acquisizione e di elaborazione del segnale, riducendo il livello di rumore sui segnali di misura. Il dispositivo è basato sul filo di una particolare lega metallica di 100 micrometri di diametro. Insieme con l’elettronica di condizionamento il sistema può quindi comodamente stare all’interno di una penna. Tra le varie applicazioni sviluppate qui all’Università di Catania, una è stata finalizzata alla misura dell’accumulo di ferro in specifiche regioni del cervello. La concentrazione di ferro in queste aree aumenta fisiologicamente con l’età, mentre in presenza di alcune malattie neurodegenerative si osserva un aumento molto più marcato. Grazie a un caschetto dotato di una serie di sensori fluxgate, siamo in grado di effettuare questa misurazione senza dover ricorrere necessariamente alla risonanza magnetica. Questa applicazione apre la strada a strumenti alternativi per rilevare e monitorare determinati fenomeni biologici”.
