Sensores MEMS para aplicações industriais

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Martin Grimmer Senior Marketing Manager Analog & Sensors da Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH RUTRONIK Elektronische Bauelemente GmbH Tel.: +351 252 312 336 ¡ Fax: +351 252 312 338 rutronik_pt@rutronik.com ¡ www.rutronik.com

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Sensores MEMS para aplicaçþes industriais Os especialistas no desenvolvimento das aplicaçþes móveis, bem como das aplicaçþes na indústria automóvel e de jogos, foram os primeiros a tirar proveito dos sensores MEMS. Contudo, estes sensores oferecem agora tambÊm uma variedade de possibilidades de aplicação na indústria, medicina e nos aparelhos domÊsticos.

Especialmente atrativos para diversas ďŹ nalidades sĂŁo os acelerĂłmetros de trĂŞs eixos. Isto porque, com custos signiďŹ cativamente inferiores a um euro e uma variedade de funçþes, eles oferecem uma excelente relação de preço/desempenho. Os atuais produtos em destaque incluem os acelerĂłmetros MEMS de trĂŞs eixos LIS3DH da STMicroelectronics e BMA250E da Bosch Sensortec. Ambos consomem pouca energia e recomendam-se, por isso, especialmente para aplicaçþes em dispositivos mĂłveis. Graças ao modo Low Power, o consumo de energia do modelo ST LIS3DH pode ser reduzido a apenas 2 ÎźA, enquanto o sensor da Bosch Sensortec se contenta com menos de 5 ÎźA. Com a ajuda da sua função “Wake-up on Motionâ€?, o consumo de energia de uma aplicação completa pode ser reduzido de uma forma muito signiďŹ cativa ou a duração da bateria alargada. A aplicação ĂŠ colocada numa espĂŠcie de modo de descanso e se o sensor MEMS registar um movimento ĂŠ novamente “acordadaâ€? (Smart Power Management). As dimensĂľes da caixa dos sensores de 3x3x1 mm (LIS3DH) ou 2x2x0,95 mm (BMA250E) sĂŁo ideais para aplicaçþes com pouco espaço. Ambos os modelos

fornecem atravÊs de campos de medição programåveis de +/-2 g, +/-4 g, +/-8 g e +/-16 g valores precisos com uma sensibilidade de 1 mg/digit no LIS3DH ou 256LSB/g no BMA250E na årea de 2 g. Têm uma resolução digital de 12 bits ou 10 bits e o típico oset zero-g durante toda a vida útil situa-se nos +/- 40 mg no ST- e +/- 80 mg no modelo da Bosch.

UMA DIVERSIDADE DE FUNÇÕES QUE OFERECE INĂšMERAS POSSIBILIDADES DE UTILIZAĂ‡ĂƒO Ambos os acelerĂłmetros disponibilizam uma Freefall Detection, tal como ĂŠ utilizada atualmente na maioria dos discos rĂ­gidos dos computadores portĂĄteis. A cabeça de leitura e de gravação ĂŠ colocada numa posição segura assim que o sensor regista a queda livre. Este princĂ­pio consegue colocar tambĂŠm mĂĄquinas, por exemplo uma motosserra ou o controlo remoto de uma grua, num estado seguro em caso de queda livre, mediante a desativação de emergĂŞncia. Graças ao registo de movimentos e trepidaçþes mĂ­nimas, bem como de alteraçþes de posição, os acelerĂłmetros sĂŁo tambĂŠm adequados como proteção contra o vandalismo ou roubo, seja em oleo-

dutos ou gasodutos, caixas automĂĄticas ou objetos valiosos. O registo de vibraçþes pode servir para veriďŹ car o funcionamento correto de uma mĂĄquina e acionar uma desativação rĂĄpida em caso de avaria. As aplicaçþes HMI podem beneďŹ ciar de novas funçþes atravĂŠs da utilização dos sensores, aumentando consequentemente o seu valor. Com a ajuda do chamado “display proďŹ le switchingâ€?, a orientação da imagem em unidades de controlo portĂĄteis com display pode ser ajustada, girando o display em 90° como as mĂĄquinas fotogrĂĄďŹ cas digitais. A função “Flat Detectionâ€? permite, atravĂŠs da deteção da posição, desligar, por exemplo, o som (em smartphones) ou desligar um aparelho em estado de repouso em caso de trepidaçþes. Em muitas aplicaçþes ĂŠ disponibilizado o controlo por toque ou o controlo por toque duplo dos acelerĂłmetros. É assim possĂ­vel prescindir de botĂľes mecânicos ou interruptores, tornando a utilização mais confortĂĄvel.

Figura 1. O acelerĂłmetro LIS3DH da ST funciona com um consumo de energia de apenas 2 ÎźA no modo Ultra Low-Power.

Figura 2. O acelerĂłmetro BMA250E da Bosch Sensortec ĂŠ comedido no consumo de energia e nas dimensĂľes.

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a rotação dos mesmos (ou a rotação simultânea), depois da broca ter agarrado no betão e garantem uma desativação de emergência. Sensores de pressão MEMS barométricos medem a pressão do ar e calculam a partir desse valor a altura com uma precisão de 25 cm. Os sensores de pressão abrem assim novas possibilidades de aplicação para a navegação indoor em centros comerciais ou parques de estacionamento. Em operações policiais ou de bombeiros podem mesmo ajudar a salvar vidas, indicando em que local do edifício se encontram pessoas feridas. Em sistemas de navegação representam a posição exata do veículo, mesmo em estradas de vários níveis. Com a combinação de vários sensores, as possibilidades alargam-se praticamente até ao infinito. Exemplo numa máquina de lavar: os sensores de pressão podem neste caso medir o nível de enchimento enquanto os acelerómetros determinam a carga e os sensores óticos verificam o grau de sujidade da água, podendo o programa de lavagem/secagem ser ajustado da forma mais adequada.

COMBINAÇÕES DE SENSORES As vantagens da combinação de diversos tipos de sensor foram reconhecidas também pelos fabricantes que os disponibilizam já combinados num módulo, por exemplo no LSM330D da STMicroelectronics. Numa caixa de apenas 3x5,5x1 mm, encontra-se o acelerómetro de três eixos LIS3DH e o giroscópio de três eixos L3GD20. Este último, oferece a escala completa de medição desde ±250 dps a ±2000 dps e dispõe de interrupção programável. A mesma combinação de acelerómetro de três eixos (BMA255) e giroscópio de três eixos (BMG160) é disponibilizada no modelo BMI055 da Bosch Sensortec. Com dimensões de 3x4,5x0,95 mm, é a Inertial Measurement Unit (IMU) mais pequena atualmente disponível no mercado. Os seus seis graus de liberdade (6DoF, Degrees of Freedom) e o consumo de energia reduzido de apenas 5,15 mA no modo de operação completa tornamno ideal para aplicações exigentes na eletrónica do consumidor como, por exemplo, aplicações de jogos em consolas de jogos, smartphones e tablets. A

elevada resolução de 16 bits (giroscópio) ou de 12 bits (acelerómetro) garantem resultados de medição precisos e fiáveis. O BMI055 dispõe, além disso, de uma relação sinal/ruído excelente. A escala de medição pode ser programada de ±125 dps a ±2000 dps no giroscópio e de ±2 g a ±16 g no acelerómetro. O último distingue-se ainda por um offset zero-g reduzido de apenas 70 mg. As interfaces digitais I2C e SPI oferecem diversas possibilidades para a comunicação de dados. Sensores ou módulos MEMS do tipo xDoF permitem a utilização não apenas em aplicações de jogos mas também na vigilância remota de pacientes ou pessoas mais idosas sem ter de limitá-los na sua liberdade de movimentos. O sensor consegue, por exemplo, “detetar” uma queda e fazer com que os prestadores de cuidados sejam alarmados. Mesmo pessoas com perturbações mentais que se tenham perdido podem ser encontradas com este sensor. Ergoterapias, treinos de atletas e medicações podem ser adaptados ao perfil de atividade individual até ao mais ínfimo pormenor, conseguindo-se assim um resultado mais efetivo. Nos aparelhos de medição da pressão arterial domésticos, o sensor consegue verificar a postura do braço, garantindo assim uma medição correta. Na criação de animais, é possível ajustar individualmente a quantidade de ração e concentrados à atividade do animal com a ajuda de um sensor MEMS deste tipo.

TUDO EM UM Os módulos de sensor que combinam um número maior de tipos de sensor dispõem de ainda mais graus de liberdade. Um módulo multi-sensor deste tipo, com nove graus de liberdade, foi colocado no mercado recentemente pela STMicroelectronics O iNEMO M1 (System on Board) combina um sensor geomagnético de seis eixos LSM303DLHC (acelerómetro de 3 eixos + sensor magnético de 3 eixos),

um giroscópio de 3 eixos L3GD20 e o microcontrolador de 32 bits STM32, e um software Sensor Fusion específico – tudo isto em apenas 13x13x2 mm. O iNEMO M1 dispõe de perceções que abrangem praticamente todos os sentidos humanos e que vão, em parte, além deles. Regista, assim, acelerações lineares, velocidades angulares e o campo magnético da terra, com os quais é possível determinar a localização, os movimentos e a sua direção. O software concentra os sinais de saída de todos os sensores. Distorções e imprecisões das medições são corrigidas automaticamente por algoritmos de filtragem e de previsão. O giroscópio L3GD20 regista movimentos de rolamento, inclinação e oscilação numa escala de seleção livre entre ±250°/s, ±500°/s e ±2000°/s. O sensor geomagnético LSM303DLHC dispõe de uma escala de medição de programação livre de ±2 g, ±4 g, ±8 g e ±16 g no acelerómetro e de ±1,3 Gauss a ±8,1 Gauss no sensor magnético, bem como de uma saída I2C. Com todas estas funções, o iNEMO traz ainda mais realismo às aplicações de jogos e de realidade virtual e aumentada, interfaces homem-máquina, robots e dispositivos de navegação portáteis, bem como à monitorização de pacientes.

APOIO AO DESENVOLVIMENTO A enorme variedade de tipos de sensor MEMS com diferentes níveis de integração coloca os especialistas em desenvolvimento perante um dilema. Muitas vezes, não é possível dizer com que tipo de sensor é possível alcançar da melhor forma os objetivos definidos de um projeto de desenvolvimento. A RUTRONIK dispõe de um amplo e incomparável portefólio dos mais diversos e inovadores tipos de sensor MEMS provenientes dos seus fabricantes de franchising. O distribuidor abrange aqui não apenas os sensores mas também o condicionamento do sinal do sensor. A partir desta ampla gama é possível realizar para cada procura uma solução adequada, e isto não está definido logo no início do projeto de desenvolvimento. Para facilitar a seleção, recebe assistência devidamente fundamentada dos engenheiros da aplicação e do produto da RUTRONIK. Para uma vista geral do portfólio, consulte a página www.rutronik.com/sensors.