Sensore a film piezoelettrico e inclinometro offrono capacità di controllo sensibile.

Nel campo delle applicazioni robotiche, l'utilizzo di sensori a film piezoelettrico può consentire ai robot di avere destrezza simile a quella umana nei movimenti delle mani, dove un feedback tattile sensibile è cruciale. I robot devono essere in grado di percepire i cambiamenti di pressione durante la presa di oggetti, controllare efficacemente la forza di presa e integrare inclinometri per migliorare le loro capacità di controllo. Questo rappresenta una fase importante nello sviluppo dei robot. I sensori a film piezoelettrico offrono capacità di rilevamento della pressione sensibili e, combinati con gli inclinometri, aprono nuove opportunità per il controllo delle applicazioni tattili nei robot. Questo articolo presenterà lo sviluppo tecnologico e le applicazioni dei sensori a film piezoelettrico e degli inclinometri, oltre alle soluzioni offerte da Murata.

Materiali per film piezoelettrici più ecologici e di maggiore sensibilità

Il film piezoelettrico è realizzato con un materiale chiamato Acido Polilattico (PLA), che è un tipo di "polimero biodegradabile" con resistenza e modellabilità comparabili alle plastiche convenzionali derivate dal petrolio. Ha attirato l'attenzione a partire dal 1995 circa ed è ormai ampiamente riconosciuto come un polimero ecologico. L'acido lattico nel PLA è prodotto attraverso la fermentazione lattica da parte di batteri lattici utilizzando amido estratto da piante. L'amido è derivato dalla fotosintesi nelle piante e, oltre all'energia usata nel processo di produzione, materiali a basso impatto di carbonio vengono utilizzati durante tutto il ciclo di vita di produzione, smaltimento e decomposizione, senza quindi contribuire all'incremento di CO₂ atmosferica.   Il PLA possiede un'elevata trasparenza, una caratteristica unica non presente in altri polimeri biodegradabili, con una trasmittanza luminosa che supera persino quella dell'acrilico, attestandosi al 93%. Il PLA è comunemente utilizzato in oggetti di uso quotidiano come cartoni per uova e scatole per pomodori presenti nei supermercati. Sebbene il PLA sia generalmente usato come polimero economico, di origine vegetale, per scopi ecologici, le sue proprietà piezoelettriche offrono caratteristiche uniche.   La costante piezoelettrica (costante piezoelettrica d) del PLA è compresa tra 7 e 12 pC/N, relativamente piccola rispetto a materiali come il PZT. Tuttavia, il PLA ha una permittività relativa molto bassa, approssimativamente pari a 2,5, il che si traduce in una costante di uscita piezoelettrica relativamente elevata (equivalente alla costante piezoelettrica g, dove g=d/εT). Di conseguenza, il PLA mostra un'elevata sensibilità in termini di uscita piezoelettrica. In confronto, considerando la costante di uscita piezoelettrica, il PLA è approssimativamente equivalente al fluoro di polivinilidene (PVDF), che ha una costante piezoelettrica quattro volte maggiore rispetto al PLA.   I film piezoelettrici realizzati con PLA generano polarizzazione proporzionale alla deformazione (allungamento, contrazione) della superficie del film provocata da compressione o deformazione. La polarizzazione genera cariche che vengono convertite in tensione da un convertitore I/V, risultando in un segnale analogico in uscita. Questo consente di rilevare i cambiamenti di pressione che il film piezoelettrico sperimenta.

Sensori piezoelettrici flessibili a film sottile per il rilevamento di pressione ad alta sensibilità

Il "Picoleaf" di Murata è un sensore sottile e flessibile sviluppato utilizzando la loro tecnologia proprietaria piezoelettrica, progettato per il rilevamento della pressione ad alta sensibilità. È più piccolo e sottile rispetto ai sensori tradizionali, risparmiando spazio per l'installazione e migliorando le prestazioni di assemblaggio e la durabilità. Picoleaf mira a migliorare la funzionalità, la facilità di assemblaggio e la durabilità dei prodotti che richiedono una rilevazione tramite interfaccia uomo-macchina (HMI). Per funzionare come sensore, gli elettrodi vengono stampati o laminati su una pellicola piezoelettrica organica sottile e altamente flessibile. Questa pellicola può essere montata sui dispositivi utilizzando un nastro biadesivo, eliminando la necessità di un processo di incollaggio.
 
Picoleaf contribuisce a ridurre le dimensioni dei dispositivi, consentendo un risparmio di spazio anche quando combinato con display e pannelli touch. Grazie alla sua alta sensibilità, Picoleaf può rilevare la pressione su grandi display utilizzando un solo sensore. Può essere applicato anche per rilevare piccoli spostamenti nell'ordine dei micrometri, tremori muscolari involontari, il mantenimento della presa durante azioni e segnali fisiologici come il battito cardiaco umano.
 
Picoleaf possiede proprietà non piroelettriche, ciò significa che non si polarizza a causa di variazioni di temperatura, minimizzando così variazioni di sensibilità e interferenze causate da fattori come la temperatura corporea, la luce solare o il riscaldamento dei semiconduttori. Inoltre, Picoleaf presenta un basso consumo energetico, con consumo di energia nullo per il dispositivo sensore stesso e la possibilità di progettare l'amplificatore di pilotaggio per un basso consumo di corrente (circa 10μA). La sua struttura flessibile gli consente di essere piegato e fissato su superfici curve di dispositivi altamente progettati.
 
Utilizzando la sua tecnologia piezoelettrica proprietaria, il Picoleaf di Murata può essere montato in spazi ristretti. Rispetto ai sensori precedenti, raggiunge una sottigliezza maggiore migliorando l'assemblaggio e la durabilità. Picoleaf combina circuiti di rilevamento per ottenere uscite basate sulla velocità di spostamento della pellicola piezoelettrica. Sfruttando questa caratteristica di uscita, Picoleaf serve varie applicazioni di sensori come il rilevamento della pressione, il rilevamento della presa e il rilevamento di segnali biologici.
 
Picoleaf può essere utilizzato per applicazioni di rilevamento della pressione, fungendo da sensore UI rilevando le variazioni di pressione. Posizionando Picoleaf su uno stilo, ad esempio, è possibile monitorare lo stato di presa della mano dell'utente. La sua funzionalità si estende oltre il tocco, poiché può prevenire azioni involontarie rilevando la pressione della mano.
 
Inoltre, Picoleaf può essere impiegato per applicazioni di rilevamento dei segnali biologici, sfruttando l'elevata sensibilità dei sensori a pellicola piezoelettrica. Può servire come sensore per rilevare segnali biologici come "pulsazioni e respirazione". Sono già stati pubblicati diversi articoli accademici che discutono l'uso di sensori piezoelettrici biodegradabili per monitorare i ritmi cardiaco e respiratorio sulla superficie del corpo umano, confermando l'accuratezza del rilevamento dei segnali biologici basato su sensori piezoelettrici.
 
Murata offre una varietà di formati di prodotto per Picoleaf, inclusi elementi sensore che possono essere direttamente attaccati alla scheda principale, nonché elementi sensore combinati con cablaggi, che permettono di separare il posizionamento del sensore dalla scheda. Inoltre, sono disponibili elementi sensore combinati con cablaggi per il montaggio di componenti, che separano ulteriormente il posizionamento del sensore dalla scheda, risultando in un design senza componenti montati sulla scheda principale.
 
Il circuito di rilevamento del Picoleaf è composto da un convertitore I/V e un circuito amplificatore. Quando la pellicola piezoelettrica viene piegata (a causa di una forza di pressione o deformazione che provoca allungamento o contrazione), genera una polarizzazione proporzionale alla quantità di piegamento applicata. La carica generata da Picoleaf può essere convertita in voltaggio attraverso il convertitore I/V, risultando in un'uscita di segnale analogico. Questo segnale di uscita può essere amplificato e regolato secondo necessità per essere processato da un ADC o CPU di uso generale, senza essere influenzato dalla capacità del sensore e dalla capacità parassita. Attualmente, si consigliano circuiti discreti, ma Murata sta sviluppando un ASIC dedicato per Picoleaf che include funzionalità di elaborazione del segnale, con disponibilità prevista a partire dal 2025.

I sensori Picoleaf possiedono eccezionali capacità di rilevamento della deformazione

Le proprietà piezoelettriche dei sensori Picoleaf consentono la rilevazione sia della "direzione dello spostamento" che della "velocità dello spostamento". Per quanto riguarda la direzione dello spostamento, quando si rileva una deformazione a "piegatura montagna", la direzione dello spostamento si dirige verso il lato positivo della tensione di riferimento di Picoleaf, mentre nel caso di deformazione a "piegatura valle", la direzione dello spostamento si dirige verso il lato negativo. Oltre alla direzione dello spostamento, la velocità dello spostamento può essere calcolata basandosi sulla tensione di picco, che aumenta proporzionalmente con la velocità dello spostamento.   Inoltre, sfruttando la funzione di output invertito dei sensori Picoleaf, le azioni di pressione e rilascio possono essere applicate senza problemi per il controllo di interruttori nelle interfacce utente. Se Picoleaf è montato su un oggetto soggetto a vibrazioni periodiche, è in grado di rilevare tali vibrazioni periodiche e può quindi essere utilizzato come sensore per la rilevazione dello stato.   Lo spessore di Picoleaf è di soli 0,2 mm o anche meno, il che lo rende incredibilmente compatto con dimensioni di 2x10 mm. Anche quando combinato con display o pannelli touch, consente di risparmiare spazio. Può essere inoltre aderito a superfici curve di dispositivi progettati con variazioni di altezza, inclusi forme particolari come l'avvolgimento attorno a oggetti cilindrici. Picoleaf vanta un'elevata sensibilità, capace di rilevare spostamenti dell'ordine di 1 micron. Un singolo sensore può rilevare la pressione su tutta la superficie di grandi display. Può essere utilizzato per rilevare movimenti muscolari inconsci come tremori, contrazioni e pulsazioni.   Grazie alle sue proprietà non piroelettriche, Picoleaf presenta un rumore minimo poiché non vi sono derive causate da fattori termici come la temperatura corporea, la luce solare o i semiconduttori. Di conseguenza, gli algoritmi possono essere costruiti più facilmente e il sensore, di per sé, non consuma energia, mentre il circuito di amplificazione può essere progettato per consumi energetici ridotti (circa 10μA).

Picoleaf può essere utilizzato per una varietà di applicazioni di rilevamento della pressione

La trasparenza di Picoleaf supera il 90%, permettendo la sua installazione in aree del pannello di visualizzazione trasparente. Combinando la funzionalità dell'interfaccia utente del touchscreen con le capacità di rilevamento della pressione di Picoleaf, è possibile ottenere un'interfaccia Uomo-Macchina (HMI) diversa dai touchscreen tradizionali, più basata sui principi del comportamento umano. Nelle applicazioni, può essere progettata come un'interfaccia utente affidabile attivata dal rilevamento della pressione, utilizzando il rilevamento della deformazione per implementare dispositivi di input come le penne e creando un'esperienza reale di tastiera software applicando varie funzionalità di rilevamento della pressione.   Se incontrate difficoltà nel realizzare nuovi concetti indossabili, potete utilizzare la struttura leggera, sottile, corta e flessibile di Picoleaf per aggiungere nuove caratteristiche mantenendo l'integrità del design. La flessibilità di installazione di Picoleaf può facilmente risolvere sfide come spazi minimi, superfici curve e altro. Applicando il rilevamento della pressione in spazi confinati e su superfici curve per creare interfacce utente con operatività affidabile e incorporando capacità di rilevamento di usura e/o di presa (utilizzando un'elevata sensibilità), i dispositivi indossabili possono essere utilizzati per rilevare segnali biologici come il polso e la respirazione. Attualmente è disponibile sul mercato un dispositivo fitness equipaggiato con il sensore piezoelettrico di Murata, Picoleaf.   Durante la progettazione, Picoleaf può essere utilizzato anche per conferire senso del tatto ai prodotti robotici. Sfruttando le caratteristiche di alta sensibilità di questi dispositivi, Picoleaf può contribuire allo sviluppo dell'industria robotica che utilizza informazioni tattili. Picoleaf può essere applicato alle punte delle dita delle mani robotiche per rilevare deformazioni causate dal contatto con oggetti morbidi o duri e regolare di conseguenza la forza di presa, permettendo a una singola mano robotica di afferrare vari oggetti indipendentemente dalla loro morbidezza. Picoleaf può essere collegato a robot telecomandati per quantificare il feedback tattile, fornendo informazioni ambientali più realistiche per i piloti VR. Picoleaf può anche essere fissato ai cavi interni dei robot operativi per rilevare anomalie interne come il deterioramento dei cablaggi.   Rispetto ad altri prodotti come sensori basati su deformazione, capacità, accelerometro o software meccanico, Picoleaf ha una dimensione standard di soli 3x17 mm e uno spessore di soli 0,25 mm (con adesivo posteriore di 0,1 mm). Può essere assemblato utilizzando nastri adesivi e possiede capacità di rilevamento della forza, con una sensibilità fino a 1μm e la capacità di rilevare dati sulla velocità di deformazione. Nel design dei circuiti, possono essere utilizzati componenti comuni, con un'interfaccia con connettore ZIF a 4 pin, una tensione tipica di 3,3V per Vdd, un consumo energetico inferiore a 10μA, un tempo di risposta inferiore a 10 ms e supporto per design curvi, offrendo maggiori vantaggi.

Inclinometri ad alte prestazioni soddisfano le esigenze degli ambienti difficili

The SCL3300 inclinometer, introduced by Murata, is a high-performance 3-axis inclinometer. Its dimensions are only 7.6×8.6×3.3mm (width × length × height), and it offers a choice of four measurement modes to suit various applications and requirements. The sensor boasts ultra-low noise, with a resolution of up to 0.001°/√Hz. It features an internal SPI digital interface, superior mechanical damping characteristics, and an operating temperature range of -40 to 125°C. The current consumption is only 1.2 mA when powered by a supply voltage of 3.0 to 3.6V. Utilizing mature capacitive 3D-MEMS technology, the SCL3300 delivers high performance and is suitable for rugged and durable designs.
 
The SCL3300 is ideal for applications requiring high stability in harsh environments, including level sensing, tilt compensation, machine control, structural health monitoring, inertial measurement units (IMUs), robotics, and positioning/navigation systems.
 
To accelerate the development speed of products, Murata has introduced the digital accelerometer/inclinometer board SCL3300-D01-PCB. This board supports a three-axis inclinometer with a range of ±2.4g and is equipped with the MEMS digital inclinometer SCL3300 series chip carrier circuit board. The purpose of the chip carrier circuit board is to facilitate rapid prototype design. The SCL3300 chip carrier circuit board includes sensors and circuit board designs soldered onto the circuit board, along with headers and passive components.
 
Another inclinometer, BCGMCU, is the second-generation BCG solution with improved performance. It opens up new possibilities for monitoring the status of people sleeping in hospitals or at home. It can detect various biological signals such as pulse rate, breathing frequency, and breathing time of a sleeping person, allowing for the detection of when a person leaves the bed and analysis of sleep status. The BCGMCU solution consists of a pre-programmed microcontroller (BCGMCU-D01) and the SCL3300-D01 inclinometer, providing a component-level solution tailored for software solution providers, service providers, and OEM system integrators.

Conclusione

Il sensore a film piezoelettrico Picoleaf di Murata, noto per la sua elevata sensibilità e sostenibilità ambientale, vanta eccellenti caratteristiche come dimensioni ridotte, basso consumo energetico ed alta sensibilità. Può essere ampiamente utilizzato in diverse applicazioni di rilevamento piezoelettrico, inclusi interfacce utente touch, dispositivi indossabili e rilevamento tattile robotico. Combinato con l'inclinometro ad alte prestazioni SCL3300, è in grado di offrire un'eccellente capacità di controllo per applicazioni robotiche, rendendolo una scelta eccezionale per applicazioni correlate.