CEA-Leti sviluppa un rivoluzionario giroscopio ad alte prestazioni per applicazioni automobilistiche, aeronautiche e industriali

Gli scienziati del CEA-Leti, in collaborazione con i ricercatori del Politecnico di Milano, hanno sviluppato il primo giroscopio al mondo ad alte prestazioni per operare in ambienti severi, come apparecchiature industriali e aeronautiche e automobili. La scoperta dimostra che è possibile rilevare movimenti rotatori minimi anche tra le vibrazioni del sistema. Comune negli oggetti di uso quotidiano, i sensori inerziali devono essere progettati per soddisfare i vincoli sempre crescenti di miniaturizzazione e costo, nonché i requisiti di prestazioni e robustezza. Per alcune applicazioni automobilistiche, industriali e militari, i giroscopi devono essere in grado di rilevare una variazione di un grado orario, ovvero una velocità di rotazione circa dieci volte inferiore a quella terrestre, in ambienti soggetti a forti e costanti vibrazioni. I giroscopi MEMS a bassa potenza vengono utilizzati in più campi a causa del loro ingombro ridotto e del basso consumo energetico. Possono monitorare e controllare la posizione, l’orientamento, la direzione, il movimento angolare e la rotazione del dispositivo. La loro integrazione nelle automobili migliora la stabilità del veicolo attraverso un sistema di controllo elettronico della stabilità. Possono anche essere usati per la resa dei conti in auto senza conducente. La loro integrazione negli smartphone consente il rilevamento della rotazione e della torsione dell’unità, la navigazione interna quando il GPS è disabilitato e la realtà mista, tra le altre funzioni. I dispositivi funzionano a una data frequenza di risonanza. Le vibrazioni meccaniche parassite raramente superano i 40 kHz. Ma oggi, non esiste un giroscopio MEMS ad alte prestazioni con una frequenza di risonanza >> 20 kHz, al di sopra della banda di frequenza delle vibrazioni parassite. Quando questa frequenza è vicina a quella delle vibrazioni dell’ambiente, i disturbi meccanici possono distorcere le misurazioni. In collaborazione con il Politecnico di Milano, i ricercatori del CEA-Leti hanno superato questa distorsione sviluppando un giroscopio che opera a frequenze nell’ordine dei 50 kHz, che è più di due volte superiore alla capacità dei giroscopi MEMS convenzionali e oltre le frequenze delle vibrazioni comuni anche in ambienti automobilistici, industriali e aeronautici severi. La svolta è stata riportata in un documento intitolato “Giroscopi MEMS a 50 kHz basati sul rilevamento NEMS con ARW 1,3 mdps / √Hz e stabilità 0,5 ° / h” presso IEEE SENSORS 2020. “Sebbene varie applicazioni richiedano una maggiore robustezza alle vibrazioni oltre i 20 kHz, i giroscopi all’avanguardia continuano a funzionare intorno a questo valore di frequenza a causa di un peggioramento delle prestazioni che si verifica con l’aumento della frequenza”, ha riportato il documento. “Questo lavoro dimostra che i giroscopi basati su NEMS possono essere progettati a frequenze operative più ampie … mantenendo prestazioni eccezionali in termini di rumore, stabilità e modalità spurie per l’impronta considerata e il consumo”. “Per aumentare la frequenza operativa del giroscopio senza ridurre le prestazioni del sensore, i ricercatori CEA-Leti e POLIMI hanno sostituito il rilevamento capacitivo dei giroscopi MEMS con nanometri piezoresistivi ultra sensibili”, ha affermato Philippe Robert, responsabile dello sviluppo aziendale MEMS ed esperto senior di CEA-Leti . “Questo nuovo giroscopio ad alta frequenza da 1,5 mm², protetto da numerosi brevetti, ha caratteristiche che superano lo stato dell’arte in termini di bias, rumore, linearità e altre condizioni.” “Ho lavorato su diverse tecnologie MEMS negli ultimi 15 anni, e sicuramente i vantaggi della tecnologia M & NEMS sono eccezionali per diverse applicazioni future”, ha affermato Giacomo Langfelder, capo del laboratorio MEMS e Microsensori presso il Dipartimento di Elettronica, Tecnologia dell’Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano. Questi nuovi dispositivi, prodotti sulla linea pilota di silicio di CEA-Leti, sono compatibili con i processi della maggior parte delle fonderie MEMS. La loro fabbricazione si basa sulla piattaforma tecnologica M & NEMS che, a seconda delle esigenze, consente di co-integrare i giroscopi con un accelerometro a 3 assi e/o un sensore di pressione ad alte prestazioni, su un unico chip.