IT201600110354A1

IT201600110354A1 - Accelerometro triassiale mems con configurazione perfezionata

Info

Publication number: IT201600110354A1
Application number: IT102016000110354A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Tocchio; Francesco Rizzini
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2016-11-03
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2018-05-03
Also published as: US20230314469A1; US11650221B2; US20180120342A1; CN108020686A; US20200363448A1; CN207396529U; US10768199B2; CN108020686B; EP3318882B1; EP3318882A1

Description

“ACCELEROMETRO TRIASSIALE MEMS CON CONFIGURAZIONE PERFEZIONATA”

La presente invenzione è relativa ad un accelerometro triassiale MEMS con configurazione perfezionata.

In modo noto, le attuali tecniche di microfabbricazione consentono la realizzazione di sistemi microelettromeccanici (cosiddetti MEMS, dall’inglese Micro Electro Mechanical System) a partire da strati di materiale semiconduttore, che sono stati depositati (ad esempio uno strato di silicio policristallino) o cresciuti (ad esempio uno strato epitassiale) al di sopra di strati sacrificali, che vengono rimossi tramite attacco chimico. Ad esempio, sensori inerziali, accelerometri e giroscopi, realizzati con tale tecnologia sono oggi largamente utilizzati, ad esempio nel campo “automotive”, nella navigazione inerziale, nel settore dei dispositivi portatili, o in campo medicale.

In particolare, sono noti accelerometri integrati di materiale semiconduttore realizzati con la tecnologia MEMS, che comprendono masse di rilevamento a cui sono accoppiati elettrodi mobili (o di rotore), a loro volta disposti affacciati ad elettrodi fissi (o di statore).

Il movimento inerziale della massa di rilevamento, in risposta ad una accelerazione lineare lungo una direzione di rilevamento, causa una variazione capacitiva del condensatore formato tra gli elettrodi mobili e gli elettrodi fissi, generando in tal modo una grandezza elettrica variabile in funzione dell’accelerazione da rilevare.

La frequenza del movimento è determinato dall’accelerazione; l’ampiezza dello spostamento della massa di rilevamento è legata alla frequenza di risonanza tramite la seguente relazione X=a/w<2>, dove X è lo spostamento della massa di rilevamento, a è l’accelerazione esterna applicata e w è la frequenza di risonanza espressa in rad/s.

Le masse di rilevamento degli accelerometri MEMS sono disposte al di sopra di un substrato, sospese mediante strutture di ancoraggio e sospensione comprendenti elementi di ancoraggio solidali al substrato ed elementi elastici di sospensione, configurati in modo da assicurare uno o più gradi di libertà per il movimento inerziale delle masse di rilevamento lungo una o più direzioni di rilevamento.

In particolare, in svariate applicazioni è richiesto di fornire un rilevamento di accelerazioni lineari agenti lungo più direzioni di rilevamento, ad esempio lungo tre direzioni di rilevamento corrispondenti agli assi di una terna cartesiana. A tal fine, possono essere utilizzati accelerometri triassiali MEMS, in grado di rilevare tre componenti di accelerazione agenti lungo le tre direzioni di rilevamento.

In vari ambiti, quale quello medicale o dei dispositivi elettronici portatili, è inoltre nota l’esigenza di ridurre quanto possibile le dimensioni, con la conseguente necessità di ridurre le dimensioni degli accelerometri triassiali MEMS. La riduzione delle dimensioni dei sensori, oltre ad incidere sull’occupazione complessiva d’area, consente inoltre di ridurre i costi di fabbricazione.

Attualmente, la maggior parte degli accelerometri triassiali MEMS includono più masse di rilevamento, tipicamente una massa di rilevamento per ciascuna direzione di rilevamento. Tale soluzione presenta il vantaggio di consentire una progettazione di ciascuna massa di rilevamento (e degli accoppiati elettrodi di rilevamento e strutture di ancoraggio e sospensione) mirata e specifica per le esigenze di rilevamento lungo la rispettiva direzione di rilevamento; tuttavia, la stessa soluzione non consente di ridurre l’occupazione di area e comporta in generale costi e complessità di fabbricazione elevati.

Per ottenere la suddetta riduzione delle dimensioni e dei costi di realizzazione, una ulteriore soluzione nota prevede l’utilizzo di un’unica massa di rilevamento, in grado di consentire il rilevamento delle componenti di accelerazione lungo le tre direzioni di rilevamento. In tale soluzione nota, la massa di rilevamento è sospesa al di sopra di un substrato tramite singoli elementi elastici di sospensione, configurati in modo tale da consentirne i movimenti inerziali lungo le tre direzioni di rilevamento e determinarne i modi di vibrazione risonante.

Tale soluzione, pur consentendo una riduzione dell’occupazione di area e dei costi di fabbricazione, presenta alcuni svantaggi.

In particolare, è noto che la riduzione dell’area planare dell’accelerometro MEMS è direttamente legata ad una riduzione di massa della massa di rilevamento, data da:

m= ρ ⋅ A

dove m è la massa, ρ la densità del materiale e A l’area nel piano.

È noto inoltre che la sensibilità meccanica di rilevamento dell’accelerometro MEMS è data da:

dx m⋅9, 8

=

dg k

dove k è la costante elastica.

Una riduzione di massa comporta dunque una riduzione della sensibilità meccanica, che può essere compensata da una riduzione della costante elastica k.

Tuttavia, tale costante elastica k non può essere ridotta oltre ad un valore minimo, dovuto alla presenza delle forze di adesione (cosiddetto fenomeno di “stiction”) tra parti mobili e parti fisse della struttura dell’accelerometro triassiale (ad esempio, costituite da elementi di arresto, “stopper”, atti a limitare il movimento delle parti mobili per evitarne la rottura).

In particolare, per evitare i fenomeni di “stiction”, la forza elastica (meccanica) deve essere maggiore della forza di adesione, dovendo dunque essere soddisfatta la seguente relazione:

Fmech > F adh

k⋅xstop > F adh

dove Fmech rappresenta la forza elastica, Fadh la forza di adesione e xstoplo spostamento della massa di rilevamento per raggiungere i corrispondenti elementi di arresto; da tale espressione si ricava un valore minimo kminper la costante elastica k.

Nella suddetta soluzione, che prevede singoli elementi elastici per consentire i movimenti di rilevamento della singola massa inerziale lungo le tre direzioni di rilevamento, non risulta in generale possibile ottimizzare le prestazioni di rilevamento (in termini ad esempio della sensibilità) contemporaneamente lungo le tre direzioni di rilevamento. Inoltre, risulta difficile assicurare frequenze di risonanza sostanzialmente simili per i modi di rilevamento lungo le stesse tre direzioni di rilevamento, con conseguenti ulteriori differenze di comportamento dell’accelerometro nei confronti delle differenti componenti di accelerazioni.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere, almeno in parte, i problemi precedentemente evidenziati, al fine di fornire una configurazione ottimizzata per un accelerometro triassiale MEMS.

Secondo la presente invenzione viene quindi fornito un accelerometro triassiale MEMS, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1a mostra una vista schematica dall’alto di una struttura di rilevamento di un accelerometro triassiale MEMS secondo una prima forma di realizzazione della presente soluzione;

- la figura 1b mostra una vista schematica dall’alto ingrandita di una porzione della struttura di rilevamento di figura 1a;

- le figure 2a-2c mostrano schematicamente i movimenti di rilevamento della struttura di rilevamento di figura 1a, in risposta a rispettive componenti di accelerazione lineare;

- la figura 3 mostra una vista schematica dall’alto di una struttura di rilevamento, secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente soluzione;

- le figure 4a-4c mostrano schematicamente i movimenti di rilevamento della struttura di rilevamento di figura 3, in risposta a rispettive componenti di accelerazione lineare; e

- la figura 5 mostra un diagramma a blocchi di massima di un dispositivo elettronico incorporante l’accelerometro triassiale MEMS, secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione.

Come sarà descritto in dettaglio in seguito, un aspetto della presente soluzione prevede la realizzazione, nella struttura di rilevamento di un accelerometro triassiale MEMS a singola massa inerziale, di almeno un primo elemento di disaccoppiamento, atto a disaccoppiare almeno un primo movimento di rilevamento (ovvero un primo modo risonante di vibrazione) della massa inerziale in una rispettiva prima direzione di rilevamento dai modi risonanti di vibrazione della stessa massa inerziale in una o più delle altre direzioni di rilevamento. In tal modo, vantaggiosamente, le caratteristiche di tale primo modo di vibrazione possono essere progettate in maniera indipendente ed ottimizzata rispetto agli altri modi di vibrazione.

In dettaglio, e facendo riferimento alle figure 1a e 1b, la struttura di rilevamento, indicata in generale con 1, di un accelerometro triassiale MEMS comprende una singola massa inerziale 2, avente nell’esempio conformazione sostanzialmente rettangolare in un piano orizzontale xy, definito da un primo e da un secondo asse orizzontale x, y, e costituente un piano di estensione principale per la struttura di rilevamento 1 (che presenta estensione sostanzialmente trascurabile, o comunque molto inferiore, lungo un asse verticale z, che definisce con i suddetti assi orizzontali x, y una terna di assi cartesiani).

Si noti che, secondo la presente soluzione (come sarà del resto descritto in dettaglio in seguito), l’accelerometro triassiale MEMS presenta una singola massa inerziale, ovvero una singola massa che è destinata, per effetto inerziale, ad eseguire rispettivi movimenti di rilevamento lungo le tre direzioni del rilevamento triassiale.

La massa inerziale 2 è disposta sospesa al di sopra di un substrato di materiale semiconduttore, ad esempio (mostrato ad esempio in figura 2c, dove è indicato con 3).

All’interno della massa inerziale 2 (ovvero, all’interno dell’ingombro definito dalla stessa massa inerziale 2 nel piano orizzontale xy) è presente una finestra centrale 4, che attraversa la stessa massa inerziale 2 per un suo intero spessore. Nell’esempio raffigurato, tale finestra centrale 4 presenta estensione principale lungo il secondo asse orizzontale y, in posizione centrale della massa inerziale 2 rispetto al primo asse orizzontale x e con configurazione simmetrica rispetto ad un asse di simmetria parallelo allo stesso primo asse orizzontale x.

Secondo un aspetto particolare della presente soluzione, all’interno della finestra centrale 4, in posizione centrale rispetto alla stessa finestra, è disposto un primo elemento di disaccoppiamento 6.

Il primo elemento di disaccoppiamento 6 presenta una porzione centrale 6a con conformazione sostanzialmente a cornice, definente uno spazio vuoto centrale 7 al suo interno, in cui è disposto un elemento di ancoraggio 8, solidale al substrato 3 (ad esempio, tale elemento di ancoraggio 8 è costituito da una colonna che si estende verticalmente, lungo l’asse verticale z, a partire dal suddetto substrato 3). Tale elemento di ancoraggio 8 è disposto in corrispondenza del centro del suddetto spazio vuoto centrale 7 e della suddetta finestra centrale 4.

L’elemento di disaccoppiamento 6 è collegato elasticamente all’elemento di ancoraggio 8 mediante primi elementi elastici 10a, 10b, aventi estensione lineare parallelamente al primo asse orizzontale x, estendentisi da parti opposte rispetto allo stesso elemento di ancoraggio 8 fino a raggiungere un rispettivo lato interno della porzione centrale 6a dell’elemento di disaccoppiamento 6.

Si noti che l’asse di estensione dei primi elementi elastici 10a, 10b divide la massa inerziale 2, in una prima porzione 2a ed in una seconda porzione 2b, la prima porzione 2a avendo estensione lungo il secondo asse orizzontale y maggiore rispetto alla corrispondente estensione della seconda porzione 2b; il baricentro di massa della massa inerziale 2 è dunque collocato all’interno della suddetta prima porzione 2a.

Il primo elemento di disaccoppiamento 6 presenta inoltre porzioni di prolungamento 6b, 6c, aventi estensione lineare all’interno della finestra centrale 4 lungo il secondo asse orizzontale y, a partire da un rispettivo lato esterno della porzione centrale 6a dello stesso elemento di disaccoppiamento 6.

Lo stesso primo elemento di disaccoppiamento 6 è inoltre collegato elasticamente alla massa inerziale 2, mediante secondi elementi elastici 12a, 12b, estendentisi all’interno della finestra centrale 4, tra una porzione terminale di una rispettiva porzione di prolungamento 6b, 6c del primo elemento di disaccoppiamento 6 ed un rispettivo lato interno della stessa massa inerziale 2, affacciato alla suddetta finestra centrale 4.

In particolare, nella forma di realizzazione illustrata, i secondi elementi elastici 12a, 12b sono allineati lungo il secondo orizzontale y e ciascuno presenta conformazione ripiegata, cosiddetta “folded”, avendo una pluralità di prime porzioni, tra loro parallele, ad estensione lineare lungo il primo asse orizzontale x, a due a due raccordate da seconde porzioni aventi estensione (molto minore) lungo il secondo asse orizzontale y.

All’interno della massa mobile 2 sono inoltre definite due finestre laterali 14a, 14b, disposte da parti opposte della finestra centrale 4 lungo il primo asse orizzontale x, in corrispondenza del prolungamento dei primi elementi elastici 10a, 10b. Tali finestre laterali 14a, 14b sono disposte in corrispondenza di una porzione periferica della massa mobile 2, in prossimità del perimetro esterno della stessa massa mobile 2.

La struttura di rilevamento 1 comprende inoltre: primi elettrodi mobili 15, disposti all’interno delle finestre laterali 14a, 14b, aventi estensione lungo il primo asse orizzontale x ed accoppiati solidalmente alla massa mobile 2; e primi elettrodi fissi 16, anch’essi disposti all’interno delle finestre laterali 14a, 14b, accoppiati solidalmente al substrato 3 mediante rispettivi elementi di ancoraggio (qui non illustrati), e disposti in posizione affacciata a rispettivi primi elettrodi mobili 15 (in particolare, gli elettrodi sono in configurazione interdigitata).

La struttura di rilevamento 1 comprende inoltre: secondi elettrodi mobili 17, disposti all’interno della finestra centrale 4, da parti opposte di ciascuna porzione di prolungamento 6b, 6c del primo elemento di disaccoppiamento 6, aventi anch’essi estensione lungo il primo asse orizzontale x ed accoppiati solidalmente alla massa mobile 2; e secondi elettrodi fissi 18, anch’essi disposti all’interno della finestra centrale 4, accoppiati solidalmente al substrato 3 mediante rispettivi elementi di ancoraggio (qui non illustrati), e disposti in posizione affacciata a, in particolare interdigitata con, rispettivi secondi elettrodi mobili 17.

La struttura di rilevamento 1 comprende inoltre terzi elettrodi fissi 19, solidali al substrato 3 e disposti al di sopra dello stesso substrato 3, al di sotto della massa inerziale 2. Tali terzi elettrodi fissi 19 sono disposti a coppie, da parti opposte dell’asse definito dai primi elementi elastici 10a, 10b, gli elettrodi fissi 19 di ciascuna coppia essendo separati dalla finestra centrale 4; nell’esempio, i suddetti elettrodi fissi 19 presentano una conformazione sostanzialmente rettangolare nel piano orizzontale xy.

Viene ora descritta la modalità operativa della struttura di rilevamento 1, per il rilevamento inerziale di una prima componente di accelerazione axdiretta parallelamente al primo asse orizzontale x, di una seconda componente di accelerazione ay diretta parallelamente al secondo asse orizzontale y, e di una terza componente di accelerazione az diretta parallelamente all’asse verticale z.

In dettaglio, la prima componente di accelerazione ax, come illustrato schematicamente in figura 2a, causa un primo movimento di rilevamento inerziale, di rotazione della massa inerziale 2 nel piano orizzontale xy, intorno ad un asse di rotazione parallelo all’asse verticale z e passante per il centro dell’elemento di ancoraggio 8. Tale rotazione, di un angolo ∆θ, è causata dalla disposizione di massa della massa inerziale 2 rispetto allo stesso asse di rotazione, avente baricentro spostato all’interno della prima porzione 2a della stessa massa inerziale 2.

Si noti che il suddetto primo movimento di rilevamento è consentito dai primi elementi elastici 10a, 10b, che risultano cedevoli a flessione nel piano orizzontale xy. Inoltre, durante lo stesso primo movimento della massa inerziale 2, il primo elemento di disaccoppiamento 6 risulta accoppiato solidalmente alla massa inerziale 2, dato che i secondi elementi elastici 12a, 12b risultano rigidi rispetto alla suddetta rotazione nel piano orizzontale xy.

La rotazione della massa inerziale 2 causa dunque una variazione della distanza di affaccio tra i primi elettrodi mobili 15 ed i primi elettrodi fissi 16 (variazione di segno opposto nelle due finestre laterali 14a, 14b), ed una corrispondente variazione capacitiva differenziale, che può essere rilevata da una opportuna circuiteria elettronica accoppiata alla struttura di rilevamento 1.

La seconda componente di accelerazione ay, come illustrato schematicamente in figura 2b, causa un secondo movimento di rilevamento inerziale, di traslazione della massa inerziale 2 lungo il secondo asse orizzontale y (traslazione indicata con ∆y nella stessa figura 2b).

Tale secondo movimento di rilevamento è consentito dai secondi elementi elastici 12a, 12b, che risultano cedevoli lungo il secondo asse orizzontale y. In particolare, durante tale secondo movimento della massa inerziale 2, il primo elemento di disaccoppiamento 6 risulta del tutto disaccoppiato dalla massa inerziale 2, data la deformazione degli stessi secondi elementi elastici 12a, 12b, restando dunque sostanzialmente immobile rispetto alla stessa massa inerziale 2.

La suddetta traslazione della massa inerziale 2 causa una variazione della distanza di affaccio tra i secondi elettrodi mobili 17 ed i secondi elettrodi fissi 18 (variazione di segno opposto negli elettrodi disposti da parte opposta dell’elemento di ancoraggio 8 lungo il secondo asse orizzontale y), ed una corrispondente variazione capacitiva differenziale, che può essere rilevata dalla circuiteria elettronica accoppiata alla struttura di rilevamento 1.

La terza componente di accelerazione az, come illustrato schematicamente in figura 2c, causa un terzo movimento di rilevamento inerziale, di rotazione della massa inerziale 2 fuori dal piano orizzontale xy, intorno all’asse definito dai primi elementi elastici 10a, 10b (rotazione indicata con ∆φ nella stessa figura 2c).

In particolare, tale terzo movimento di rilevamento è consentito nuovamente dai primi elementi elastici 10a, 10b, che risultano cedevoli a torsione. Durante tale terzo movimento della massa inerziale 2, il primo elemento di disaccoppiamento 6 risulta nuovamente accoppiato alla massa inerziale 2, in quanto i secondi elementi elastici 12a, 12b risultano invece rigidi rispetto alla torsione.

La suddetta rotazione della massa inerziale 2 causa una variazione della distanza di affaccio tra la stessa massa inerziale 2 (che agisce in tal caso da elettrodo di rilevamento mobile) ed i terzi elettrodi fissi 19, ed una corrispondente variazione capacitiva differenziale, che può nuovamente essere rilevata dalla circuiteria elettronica accoppiata alla struttura di rilevamento 1.

Vantaggiosamente, dunque, la presenza del primo elemento di disaccoppiamento 6 e degli associati secondi elementi elastici 12a, 12b disaccoppia il modo di vibrazione della massa inerziale 2 nel secondo movimento di rilevamento (traslazione lungo il secondo asse orizzontale y) dai restanti movimenti di rilevamento ed associati modi di vibrazione. Di conseguenza, tale modo di vibrazione risulta definito esclusivamente dalle caratteristiche della massa inerziale 2 e degli stessi secondi elementi elastici 12a, 12b.

Inoltre, l’impiego di elementi elastici di tipo folded (i secondi elementi elastici 12a, 12b) risulta vantaggioso, in quanto consente di ottenere una maggiore robustezza rispetto alle variazioni (cosiddetti “spread”) del processo di fabbricazione. In particolare, maggiore è il numero di pieghe (ovvero di porzioni parallele) di tali secondi elementi elastici 12, maggiore risulta la loro larghezza nel piano, assicurando una minore variabilità del valore della costante elastica k.

Analogamente, i modi di vibrazione associati al primo movimento di rilevamento (in risposta alla componente di accelerazione ax) ed al terzo movimento di rilevamento (in risposta alla componente di accelerazione az) risultano indipendenti dal suddetto modo di vibrazione associato al secondo movimento di rilevamento, essendo definiti esclusivamente dalle caratteristiche della massa inerziale 2 (e del primo elemento di disaccoppiamento 6) ed inoltre dei primi elementi elastici 10a, 10b.

In altre parole, il rilevamento di accelerazione lungo il secondo asse orizzontale y risulta disaccoppiato dal rilevamento di accelerazioni lungo il primo asse orizzontale x e lungo l’asse verticale z.

La struttura di rilevamento 1 presenta dunque una struttura di sospensione, indicata in generale con 29, disposta all’interno della finestra centrale 4, e comprendente il suddetto primo elemento di disaccoppiamento 6, i primi ed i secondi elementi elastici 10a-10b, 12a-12b, ed inoltre l’elemento di ancoraggio 8.

Viene ora descritta una seconda forma di realizzazione della presente soluzione, che prevede un ulteriore grado di disaccoppiamento nel rilevamento delle componenti di accelerazione ax, aye az, grazie all’introduzione, nella struttura di sospensione 29 della struttura di rilevamento 1, di un ulteriore elemento di disaccoppiamento, cooperante con il primo elemento di disaccoppiamento 6.

In dettaglio, come mostrato in figura 3, il primo elemento di disaccoppiamento 6 della struttura di rilevamento, nuovamente indicata in generale con 1, è in questo caso collegato mediante i primi elementi elastici 10a, 10b, aventi estensione lineare parallelamente al primo asse orizzontale x, ad un secondo elemento di disaccoppiamento 20; lo stesso primo elemento di disaccoppiamento 6 è inoltre collegato alla massa inerziale 2 mediante i secondi elementi elastici 12a, 12b, nuovamente di tipo ripiegato “folded”, ma allineati in questo caso lungo il primo asse orizzontale x.

In dettaglio, il primo elemento di disaccoppiamento 6 presenta anche in questo caso una porzione centrale 6a con conformazione a cornice, da cui lati interni partono i primi elementi elastici 10a, 10b, con estensione allineata lungo il primo asse x, ed al cui interno è definito lo spazio vuoto centrale 7.

In questa forma di realizzazione, le porzioni di prolungamento 6b, 6c hanno estensione lineare all’interno della finestra centrale 4 lungo il primo asse orizzontale x, a partire da un rispettivo lato esterno della porzione centrale 6a dello stesso elemento di disaccoppiamento 6, a prolungamento dei primi elementi elastici 10a, 10b.

I secondi elementi elastici 12a, 12b si estendono a partire da una porzione terminale di una rispettiva porzione di prolungamento 6b, 6c dell’elemento di disaccoppiamento 6 fino ad un rispettivo lato interno della stessa massa inerziale 2, affacciato alla finestra centrale 4.

In questo caso, i suddetti secondi elementi elastici 12a, 12b presentano nuovamente una conformazione ripiegata “folded”, ma con la pluralità di prime porzioni, tra loro parallele, ad estensione lineare lungo il secondo asse orizzontale y, a due a due raccordate da seconde porzioni aventi estensione (molto minore), questa volta lungo il primo asse orizzontale x.

Il primo elemento di disaccoppiamento 6 presenta inoltre porzioni laterali 22a, 22b, accoppiate solidalmente alla relativa porzione centrale 6a, ed estendentisi all’interno della finestra centrale 4, da parti opposte rispetto allo spazio vuoto centrale 7; ciascuna porzione laterale 22a, 22b presenta conformazione a cornice e definisce internamente un rispettivo spazio vuoto laterale 23a, 23b, fluidicamente connesso allo spazio vuoto centrale 7.

Secondo un aspetto della presente forma di realizzazione, la seconda porzione 2b della massa inerziale 2 è separata ina una prima ed in una seconda parte 2b', 2b", tra loro separate da una intercapedine 25; la prima parte 2b' è collegata rigidamente e solidalmente alla prima porzione 2a della massa inerziale 2, mentre la seconda parte 2b" è collegata rigidamente al primo elemento di disaccoppiamento 6.

In dettaglio, il secondo elemento di disaccoppiamento 20 presenta una conformazione sostanzialmente equivalente a quella del primo elemento di disaccoppiamento 6, essendo alloggiato all’interno dello spazio vuoto centrale 7 e degli spazi vuoti laterali 23a, 23b.

Anche il secondo elemento di disaccoppiamento 20 presenta dunque una porzione centrale 20a, con conformazione a cornice, e porzioni laterali 26a, 26b, anch’esse aventi conformazione a cornice, disposte all’interno delle rispettive porzioni del primo elemento di disaccoppiamento 6.

In particolare, il secondo elemento di disaccoppiamento 20 definisce internamente un rispettivo spazio vuoto all’interno del quale è alloggiato l’elemento di ancoraggio 8.

Come precedentemente evidenziato, il secondo elemento di disaccoppiamento 20 è collegato elasticamente al primo elemento di disaccoppiamento 6 mediante i primi elementi elastici 10a, 10b.

In particolare, la porzione centrale 20a del secondo elemento di disaccoppiamento 20 è collegata elasticamente alla porzione centrale 6a del primo elemento di disaccoppiamento 6 mediante i primi elementi elastici 10a, 10b, che si estendono a partire da lati esterni della porzione centrale 20a del secondo elemento di disaccoppiamento 20 verso lati interni affacciati della rispettiva porzione centrale 6a del primo elemento di disaccoppiamento 6.

Inoltre, il secondo elemento di disaccoppiamento 20 è collegato elasticamente all’elemento di ancoraggio 8, anche in questo caso singolo, della struttura di rilevamento 1 al substrato 3.

In particolare, terzi elementi elastici 28a, 28b, allineati lungo il secondo asse orizzontale y, si estendono a partire da lati interni delle porzioni laterali 26a, 26b fino a prolungamenti 8a, 8b del suddetto elemento di ancoraggio 8, costituiti da bracci rigidi con estensione allineata lungo il suddetto secondo asse orizzontale y e collegati rigidamente allo stesso elemento di ancoraggio 8.

Anche i suddetti terzi elementi elastici 28a, 28b presentano conformazione ripiegata, “folded”, avendo una pluralità di prime porzioni, tra loro parallele, ad estensione lineare lungo il primo asse orizzontale x, a due a due raccordate da seconde porzioni aventi estensione (molto minore) lungo il secondo asse orizzontale y.

In questa forma di realizzazione, i secondi elettrodi mobili 17 risultano collegati solidalmente a lati interni delle porzioni laterali 26a, 26b del secondo elemento di disaccoppiamento 20, affacciati ai rispettivi secondi elettrodi fissi 18, che risultano disposti, così come i suddetti secondi elettrodi mobili 17, all’interno degli spazi vuoti definiti internamente dalle stesse porzioni laterali 26a, 26b.

Viene ora descritta la modalità operativa della struttura di rilevamento 1 di figura 3, per il rilevamento inerziale della prima componente di accelerazione axdiretta parallelamente al primo asse orizzontale x, della seconda componente di accelerazione aydiretta parallelamente al secondo asse orizzontale y, e della terza componente di accelerazione azdiretta parallelamente all’asse verticale z.

In dettaglio, la prima componente di accelerazione ax, come illustrato schematicamente in figura 4a, causa un primo movimento di rilevamento inerziale della massa inerziale 2 nel piano orizzontale xy, in questo caso costituito da una traslazione ∆x parallelamente al primo asse orizzontale x della relativa prima porzione 2a e della prima parte 2b' della seconda porzione 2b. Tale traslazione è consentita dai secondi elementi elastici 12a, 12b, che risultano cedevoli a trazione nel piano orizzontale xy lungo il suddetto primo asse orizzontale x.

Il primo elemento di disaccoppiamento 6 disaccoppia tale primo movimento della massa inerziale 2, così che lo stesso primo elemento di disaccoppiamento 6, il secondo elemento di disaccoppiamento 20 ed inoltre la seconda parte 2b" della seconda porzione 2b della massa inerziale 2 risultano sostanzialmente immobili. In particolare, sia i primi elementi elastici 10a, 10b, sia i terzi elementi elastici 28a, 28b risultano rigidi rispetto al movimento di traslazione lungo il primo asse orizzontale x.

Il suddetto primo movimento di rilevamento causa dunque una variazione della distanza di affaccio tra i primi elettrodi mobili 15 ed i primi elettrodi fissi 16 (variazione di segno opposto nelle due finestre laterali 14a, 14b), ed una corrispondente variazione capacitiva differenziale, che può essere rilevata da una opportuna circuiteria elettronica accoppiata alla struttura di rilevamento 1.

La seconda componente di accelerazione ay, come illustrato schematicamente in figura 4b, causa un secondo movimento di rilevamento inerziale, di traslazione della massa inerziale 2 lungo il secondo asse orizzontale y (traslazione indicata nuovamente con ∆y). Tale secondo movimento di rilevamento è consentito dai terzi elementi elastici 28a, 28b, che risultano cedevoli a trazione lungo il secondo asse orizzontale y.

Al contrario, sia i primi elementi elastici 10a, 10b, sia i secondi elementi elastici 12a, 12b risultano rigidi rispetto a tale traslazione, così che la prima porzione 2a e la seconda porzione 2b (comprensiva della prima e della seconda parte 2b', 2b") della massa inerziale 2 risultano collegate rigidamente e solidali tra loro. In altre parole, l’intera massa inerziale 2 ed il primo e il secondo elemento di disaccoppiamento 6, 20 si muovono solidalmente nella traslazione lungo il secondo asse orizzontale y.

Tale traslazione causa una variazione della distanza di affaccio tra i secondi elettrodi mobili 17 ed i secondi elettrodi fissi 18 (variazione di segno opposto negli elettrodi disposti da parte opposta dell’elemento di ancoraggio 8 lungo il secondo asse orizzontale y), ed una corrispondente variazione capacitiva differenziale, che può essere rilevata dalla circuiteria elettronica accoppiata alla struttura di rilevamento 1.

La terza componente di accelerazione az, come illustrato schematicamente in figura 4c, causa un terzo movimento di rilevamento inerziale, di rotazione dell’intera massa inerziale 2 (comprensiva della prima e della seconda porzione 2a, 2b) fuori dal piano orizzontale xy, intorno all’asse definito dai primi elementi elastici 10a, 10b (rotazione indicata con ∆φ nella stessa figura 4c). In particolare, tale terzo movimento di rilevamento è consentito dai primi elementi elastici 10a, 10b, che risultano cedevoli a torsione.

Data la rigidità sia dei secondi elementi elastici 12a-12b sia dei terzi elementi elastici 28a-28b rispetto alla torsione, durante il suddetto terzo movimento di rilevamento, il primo elemento di disaccoppiamento 6 risulta nuovamente accoppiato alla massa inerziale 2, mentre il secondo elemento di disaccoppiamento 20 risulta disaccoppiato dalla stessa massa inerziale 2 e dal suo movimento di rotazione, rimanendo sostanzialmente immobile.

Vantaggiosamente, dunque, la presenza congiunta del primo e del secondo elemento di disaccoppiamento 6, 20 e degli associati elementi elastici disaccoppia ciascun modo di vibrazione della massa inerziale 2 rispetto agli altri modi di vibrazione; tali modi di vibrazione possono dunque essere progettati indipendentemente, e dunque indipendentemente ottimizzati per ottenere le desiderate prestazioni di rilevamento.

In particolare, il primo movimento di rilevamento (traslazione lungo il primo asse orizzontale x) risulta definito esclusivamente dalle caratteristiche della prima porzione 2a e della prima parte 2b' della seconda porzione 2b della massa inerziale 2 e dalle caratteristiche dei secondi elementi elastici 12a, 12b; il secondo movimento di rilevamento (traslazione lungo il secondo asse orizzontale y) risulta definito dalle caratteristiche dell’intera massa inerziale 2 (e del primo e del secondo elemento di disaccoppiamento 6, 20) e dalle caratteristiche dei terzi elementi elastici 28a, 28b; ed il terzo movimento di rilevamento (rotazione fuori dal piano orizzontale xy) risulta definito dalle caratteristiche dell’intera massa inerziale 2 (e del primo elemento di disaccoppiamento 6) e dalle caratteristiche dei primi elementi elastici 10a, 10b.

In altre parole ancora, il rilevamento di ciascuna componente di accelerazione lungo il rispettivo asse di rilevamento risulta governato in maniera indipendente da rispettivi elementi elastici, ovvero: il rilevamento della componente di accelerazione ax lungo il primo asse orizzontale x è governato dai secondi elementi elastici 12a, 12b; il rilevamento della componente di accelerazione ay lungo il secondo asse orizzontale y è governato dai terzi elementi elastici 28a, 28b; ed il rilevamento della componente di accelerazione azlungo l’asse verticale z è governato dai primi elementi elastici 10a, 10b.

In particolare, risulta anche in questo caso vantaggioso l’utilizzo di elementi elastici ripiegati per definire i modi di vibrazione per il rilevamento lungo il primo ed il secondo asse orizzontale x, y (rispettivamente, i secondi elementi elastici 12a, 12b ed i terzi elementi elastici 28a, 28b).

I vantaggi dell’accelerometro triassiale MEMS emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In ogni caso, si sottolinea nuovamente che la soluzione descritta, con l’introduzione di almeno un elemento di disaccoppiamento nella struttura di rilevamento, consente di disaccoppiare tra di loro i modi di vibrazione relativi al rilevamento delle componenti di accelerazione, ed in particolare di disaccoppiare almeno un modo di vibrazione (ed il rilevamento della associata componente di accelerazione) dai restanti modi di vibrazione (e dal rilevamento delle restanti componenti di accelerazione).

La struttura di rilevamento 1, che comprende in ogni caso una singola massa inerziale 2 per il rilevamento delle tre componenti di accelerazione, risulta particolarmente compatta e comporta costi di fabbricazione ridotti.

In particolare, la suddetta massa di rilevamento può anche essere ridotta, senza tuttavia ridurre le prestazioni di rilevamento (ad esempio in termini di sensibilità), grazie alla possibilità di ottimizzare in modo indipendente le caratteristiche meccaniche del rilevamento lungo i tre assi di rilevamento (ad esempio, ottimizzando il valore della costante elastica k dei relativi elementi elastici).

In sostanza, le suddette caratteristiche rendono l’accelerometro triassiale MEMS particolarmente indicato per l’integrazione in un dispositivo elettronico 30, come mostrato in figura 5, utilizzabile in una pluralità di sistemi elettronici, ad esempio in sistemi di navigazione inerziale, in sistemi automotive o in sistemi di tipo portatile, quale ad esempio: un PDA (Personal Digital Assistant); un computer portatile; un telefono cellulare; un riproduttore di audio digitale; una foto- o video-camera; il dispositivo elettronico 30 essendo generalmente in grado di elaborare, memorizzare, trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.

Il dispositivo elettronico 30 comprende l’accelerometro triassiale MEMS, qui indicato con 32; un circuito elettronico 33, operativamente accoppiato all’accelerometro triassiale MEMS 32, per fornire segnali di polarizzazione alla struttura di rilevamento 1 (in modo di per sé noto, qui non illustrato in dettaglio), e per rilevare l’entità degli spostamenti della massa di rilevamento e quindi determinare le accelerazioni agenti sulla struttura stessa; ed un’unità elettronica di controllo 34, ad esempio a microprocessore, collegata al circuito elettronico 33, ed atta a sovrintendere al funzionamento generale del dispositivo elettronico 30, ad esempio sulla base delle accelerazioni rilevate e determinate.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, si evidenzia che la particolare conformazione e configurazione della massa di rilevamento e degli elementi elastici nella struttura di rilevamento 1 potrebbe variare rispetto a quanto illustrato.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Accelerometro triassiale MEMS (32), dotato di una struttura di rilevamento (1) comprendente: una singola massa inerziale (2), avente una estensione principale in un piano orizzontale (xy) definito da un primo (x) e da un secondo (y) asse orizzontale e definente al suo interno una prima finestra (4) che la attraversa per un suo intero spessore lungo un asse verticale (z), ortogonale a detto piano orizzontale (xy); ed una struttura di sospensione (29), disposta all’interno di detta prima finestra (4) e configurata per accoppiare elasticamente detta massa inerziale (2) ad un singolo elemento di ancoraggio (8), solidale ad un substrato (3) e disposto all’interno di detta finestra (4), in modo tale che detta massa inerziale (2) sia sospesa al di sopra del substrato (3) ed in grado di effettuare, per effetto inerziale: un primo movimento di rilevamento lungo una prima direzione di rilevamento (x) parallela a detto primo asse orizzontale (x) in seguito al rilevamento di una prima componente di accelerazione (ax); un secondo movimento di rilevamento lungo una seconda direzione di rilevamento (y) parallela a detto secondo asse orizzontale (y) in seguito al rilevamento di una seconda componente di accelerazione (ay); ed un terzo movimento di rilevamento lungo una terza direzione di rilevamento (z) parallela a detto asse verticale (z) in seguito al rilevamento di una terza componente di accelerazione (az), caratterizzato dal fatto che detta struttura di sospensione (29) comprende almeno un primo elemento di disaccoppiamento (6) configurato in modo da disaccoppiare almeno un movimento di rilevamento tra detti primo, secondo e terzo movimento di rilevamento dai restanti movimenti di rilevamento di detta massa inerziale (2).
2. Accelerometro secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura di sospensione (29) comprende primi elementi elastici (10a, 10b) configurati in modo da accoppiare elasticamente detto primo elemento di sospensione (6) a detto elemento di ancoraggio (8), e secondi elementi elastici (12a, 12b), configurati in modo da collegare elasticamente detto primo elemento di sospensione (6) a detta massa inerziale (2); in cui detti secondi elementi elastici (12a, 12b) sono configurati per consentire e controllare, in maniera indipendente ed esclusiva, detto almeno un movimento di rilevamento.
3. Accelerometro secondo la rivendicazione 2, in cui detto almeno un movimento di rilevamento è un movimento di vibrazione risonante, ed in cui detti secondi elementi elastici (12a, 12b) sono configurati in modo da determinare il modo di vibrazione di detto almeno un movimento di rilevamento.
4. Accelerometro secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detti primi elementi elastici (10a, 10b) sono rigidi rispetto a detto almeno un movimento di rilevamento.
5. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-4, in cui detto primo elemento di sospensione (6) presenta una conformazione a cornice e definisce internamente un primo spazio vuoto (7), all’interno del quale sono disposti detti primi elementi elastici (10a, 10b) e detto elemento di ancoraggio (8); in cui detti primi elementi elastici (10a, 10b) si estendono, internamente a detto primo spazio vuoto (7), a partire da detto primo elemento di sospensione (6) verso detto elemento di ancoraggio (8), e detti secondi elementi elastici (10a, 10b) si estendono, esternamente a detto primo spazio vuoto (7), a partire da detto primo elemento di sospensione (6) fino a detta massa inerziale (2).
6. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-5, in cui detti primi elementi elastici (10a, 10b), di tipo lineare, si estendono parallelamente al primo asse orizzontale (x), allineati da parti opposte rispetto a detto elemento di ancoraggio (8) lungo detto primo asse orizzontale (x); ed in cui detti secondi elementi elastici (12a, 12b), di tipo ripiegato, si estendono, allineati da parti opposte di detto elemento di ancoraggio (8) lungo detto secondo asse orizzontale (y), tra detta massa inerziale (2) e detto primo elemento di disaccoppiamento (6).
7. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-5, in cui detta struttura di sospensione (29) comprende inoltre un secondo elemento di disaccoppiamento (20) configurato in modo da disaccoppiare almeno un ulteriore movimento di rilevamento tra detti primo, secondo e terzo movimento di rilevamento, differente da detto almeno un movimento di rilevamento, dai restanti movimenti di rilevamento.
8. Accelerometro secondo la rivendicazione 7, in cui detti primo, secondo e terzo movimento di rilevamento sono movimenti di vibrazione risonante, ed in cui detta struttura di sospensione (29) è configurata in modo da disaccoppiare ciascun movimento di rilevamento dai restanti movimenti di rilevamento, ed in modo da determinarne il modo di vibrazione in maniera indipendente ed esclusiva.
9. Accelerometro secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detti primi elementi elastici (10a, 10b) sono configurati in modo da collegare elasticamente detto primo elemento di sospensione (6) a detto secondo elemento di sospensione (20); ed in cui detta struttura di sospensione (29) comprende inoltre terzi elementi elastici (28a, 28b), configurati per collegare elasticamente detto secondo elemento di sospensione (20) a detto elemento di ancoraggio (8).
10. Accelerometro secondo la rivendicazione 9, in cui detti secondi elementi elastici (12a, 12b) sono configurati in modo da consentire e controllare, in maniera indipendente ed esclusiva, detto almeno un movimento di rilevamento, essendo inoltre rigidi rispetto agli altri movimenti di rilevamento; detti terzi elementi elastici (28a, 28b) sono configurati in modo da consentire e controllare, in maniera indipendente ed esclusiva, detto almeno un ulteriore movimento di rilevamento, essendo inoltre rigidi rispetto agli altri movimenti di rilevamento; e detti primi elementi elastici (10a, 10b) sono configurati in modo da consentire e controllare, in maniera indipendente ed esclusiva, il restante movimento di rilevamento tra detti primo, secondo e terzo movimento di rilevamento, essendo inoltre rigidi rispetto agli altri movimenti di rilevamento.
11. Accelerometro secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui detti primi elementi elastici (10a, 10b), di tipo lineare, si estendono parallelamente al primo asse orizzontale (x), allineati da parti opposte rispetto a detto elemento di ancoraggio (8) lungo detto primo asse orizzontale (x); detti secondi elementi elastici (12a, 12b), di tipo ripiegato, si estendono, allineati da parti opposte di detto elemento di ancoraggio (8) lungo detto primo asse orizzontale (x), tra detta massa inerziale (2) e detto primo elemento di disaccoppiamento (6); e detti terzi elementi elastici (28a, 28b), di tipo ripiegato, si estendono, allineati da parti opposte di detto elemento di ancoraggio (8) lungo detto secondo asse orizzontale (y), tra detto secondo elemento di disaccoppiamento (20) e detto elemento di ancoraggio (8).
12. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-11, in cui detto primo elemento di sospensione (6) presenta una conformazione a cornice e definisce internamente un primo spazio vuoto (7), all’interno del quale è disposto detto secondo elemento di sospensione (20), avente anch’esso conformazione a cornice e definente internamente un rispettivo spazio vuoto all’interno del quale è disposto detto elemento di ancoraggio (8).
13. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-12, in cui detta massa inerziale (2) presenta una parte di massa (2b") separata dalla restante parte (2a, 2b') da un’intercapedine (25), detta parte di massa (2b") essendo collegata rigidamente a detto primo elemento di disaccoppiamento (6), in modo tale da essere fissa rispetto a detto almeno un movimento di rilevamento di detta restante parte (2a, 2b') di detta massa inerziale (2), e da essere accoppiata a detta restante parte (2a, 2b') di detta massa inerziale (2) nei restanti movimenti di rilevamento.
14. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-13, in cui detta massa inerziale (2) presenta ulteriori finestre (14a, 14b) in cui sono alloggiati primi elettrodi mobili (15), solidali a detta massa inerziale (2), e primi elettrodi fissi (16), accoppiati capacitivamente a detti primi elettrodi mobili (15) per consentire il rilevamento di detto almeno un movimento di rilevamento; comprendente inoltre secondi elettrodi mobili (17), solidali a detto secondo elemento di disaccoppiamento (20), e secondi elettrodi fissi (18) accoppiati capacitivamente a detti secondi elettrodi mobili (17) per consentire il rilevamento di detto almeno un ulteriore movimento di rilevamento.
15. Dispositivo elettronico (30), comprendente l’accelerometro triassiale MEMS (32) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed inoltre un circuito elettronico (33), operativamente accoppiato a detto accelerometro triassiale MEMS (32) per il rilevamento di detta prima, seconda e terza componente di accelerazione (ax, ay, az).