La crescita del potenziale di implementazione MOEMS

24th September 2019
Posted By : Alex Lynn
La crescita del potenziale di implementazione MOEMS

Quando si pensa a componenti di semiconduttori a orientamento ottico, la maggior parte di noi probabilmente fa riferimento a LED realizzati con arseniuro di gallio (GaAs) o nitruro di gallio (GaN) o probabilmente a sensori di immagine CMOS. 

Di Mark Patrick, Mouser Electronics

Il valore conferito dai dispositivi con sistema microelettromeccanico (MEMS) in alcune applicazioni sta tuttavia diventando sempre più evidente. Le innovazioni realizzate dai principali produttori in questo campo indicano che l'era della tecnologia dei sistemi microoptoelettromeccanici (MOEMS) è chiaramente alle porte.

I settori delle telecomunicazioni e dei data center hanno favorito la domanda di soluzioni di microlavorazione (che integrano elementi di elaborazione del segnale CMOS) per provvedere alle attività di commutazione e controllo. Una tecnica, che ha preso piede nell'industria delle telecomunicazioni fin dall'inizio, è stato l'allineamento di precisione delle fibre ottiche per scopi di interconnessione, tramite ghiere o scanalature a V incise sulla superficie di un substrato di silicio. L'incisione di precisione ha anche reso possibile l'uso dell'interferenza selettiva, consentendo in tal modo il filtraggio e la separazione dei canali nei sistemi di multiplazione mediante ripartizione in lunghezza d’onda (WDM).

Tali filtri non devono necessariamente avere una frequenza fissa in quanto, grazie alle proprietà elettromeccaniche dei microassiemi di silicio, possono essere regolabili. Gli spostamenti nell'ordine di decine di nanometri si dimostrano sufficienti per mettere a punto un filtro in base alle lunghezze d'onda necessarie a svolgere comunicazioni in fibra ottica efficaci. La griglia del filtro è generalmente suddivisa nelle rispettive parti fisse e mobili.

La parte mobile è caratterizzata da una struttura a sbalzo e viene spostata elettrostaticamente nel momento in cui la carica nel circuito immediatamente sottostante viene sollevata e abbassata di conseguenza. Configurazioni a sbalzo su scala più ampia sono state incorporate in dispositivi di commutazione ottica dove la collocazione degli specchi riflette la luce emanata da un canale sorgente nei canali del ricevitore assegnati.

Grazie a dei livelli di sofisticazione dei MOEMS maggiori, i proiettori Digital Light Processing (DLP)sviluppati da Texas Instruments (TI) nel corso dell'ultimo decennio hanno raggiunto un elevato indice di popolarità. Ogni prodotto comprende una serie di specchi microlavorati (che misurano meno di un quinto del diametro di un capello umano) organizzati secondo una configurazione a griglia cartesiana.

Basandosi nuovamente su un meccanismo a sbalzo, ognuno di questi specchi può essere fatto ruotare attraverso l'attrazione elettrostatica e la repulsione. Regolando l'angolo dello specchio in una determinata direzione, una sorgente di luce può venire riflessa su una particolare posizione x-y nella superficie obiettivo, mentre con la presa nell'altra direzione la luce viene riflessa su una superficie assorbente anziché sull'obiettivo: questo trasforma effettivamente il "pixel" che lo specchio rappresenta in quel momento.

Per restituire diversi gradi di luminosità lo specchio può essere rapidamente commutato da uno stato all’altro, dove il rapporto di tempo di accensione confrontato con il tempo di spegnimento determina la tonalità prodotta.

Il DLP ha svolto un ruolo fondamentale nel realizzare la consegna digitale dei film al cinema e costituisce la base delle TV a proiezione, sempre più diffuse nelle nostre case. Tuttavia l’ambito domestico non si ferma qui: attraverso la tecnologia DLP, gli schermi attivi possono anche essere integrati in apparecchiature domotiche sprovviste della superficie necessaria alle comuni configurazioni di visualizzazione. Attraverso l'uso dell'ottica di proiezione a raggi ultra-corti, i pannelli di controllo associati a un sistema di sicurezza o a un termostato (normalmente dotati di uno spazio piuttosto limitato per l'interazione dell'utente) sono ad esempio in grado di sfruttare qualsiasi spazio sulla parete vicina in modo da agire come interfaccia uomo-macchina.

Una telecamera di accompagnamento e un software di riconoscimento dei movimenti idoneo potranno interpretare i movimenti della mano dell'utente e attivare le funzioni di controllo desiderate. L'accesso a una forma più avanzata di interfaccia uomo-macchina così derivata consente un'esperienza per l'utente molto migliore.

I sistemi basati su DLP sono in grado di sensibilizzare gli utenti ogni volta che si presenta un inconveniente. Ad esempio, quando viene impostato un allarme di sicurezza domestica, lo schermo può mostrare lo stato corrente di tutte le porte e finestre e avvisare l'utente se uno di questi componenti è stato lasciato aperto. Un DLP montato sopra una superficie di lavoro della cucina può essere di aiuto durante la preparazione del cibo.

Le ricette e le istruzioni di cottura possono essere visualizzate davanti all’utente, così da disporre efficacemente delle informazioni richieste tenendo lontane le distrazioni rispetto al lavoro che si sta svolgendo (contrariamente alla necessità di consultare un libro di cucina più distante rispetto all'area di preparazione effettiva per poterlo mantenere pulito). Lavastoviglie e lavatrici possono visualizzare i dettagli del rispettivo stato operativo direttamente sul pavimento. I pannelli di controllo di questi apparecchi non devono quindi incorporare quadri di visualizzazione che comprometterebbero l'estetica della cucina. Un semplice gesto (come il movimento della mano) vicino all'unità può essere rilevato da una fotocamera o da un sensore di prossimità IR, in modo da attivare o disattivare la proiezione.

La tecnologia DLP può essere inoltre impiegata nelle macchine da stampa 3D, con dispositivi che guidano i laser addetti alla formazione degli oggetti richiesti. Sono anche disponibili molteplici nuove possibilità in un contesto di realtà virtuale (VR), dove tali dispositivi restituiscono immagini ad alta risoluzione e a bassa latenza necessarie per gli auricolari, oltre a svolgere un ruolo simile nelle unità di visualizzazione head-up del settore automobilistico (HUD).

Figura 1: immagine al microscopio elettronico degli specchi microlavorati, al centro della tecnologia DLP di TI.

Per soddisfare le applicazioni che stanno aprendosi alla tecnologia DLP, TI offre ora dispositivi con risoluzioni che vanno da 640x360 per implementazioni di interfaccia uomo-macchina fino a 1920x1080 per applicazioni domestiche intelligenti di fascia alta. Molti di questi dispositivi supportano algoritmi come IntelliBright, in grado di adattare automaticamente luminosità, contrasto e altri parametri per soddisfare diverse condizioni di illuminazione ambientale e superfici di proiezione.

Sebbene il sistema MOEMS sia ancora limitato a una parte relativamente piccola del mercato complessivo dell’optoelettronica, l’utilità intrinseca del sistema in relazione alla gestione nell’ambito dell’illuminazione diventa via via sempre più evidente. La domotica sta già avviando il processo di inclusione dei risultati offerti da questa tecnologia. Nei prossimi anni assisteremo di certo alla crescita di altre opportunità apprezzabili su dispositivi indossabili, nell’assistenza sanitaria e in vari aspetti dell'Internet degli oggetti (IoT).


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