IT201900000190A1 - Dispositivo mems con geometria ottimizzata per la riduzione dell'offset dovuto all'effetto radiometrico - Google Patents

Dispositivo mems con geometria ottimizzata per la riduzione dell'offset dovuto all'effetto radiometrico Download PDF

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Alessandro Tocchio
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO MEMS CON GEOMETRIA OTTIMIZZATA PER LA RIDUZIONE DELL'OFFSET DOVUTO ALL'EFFETTO RADIOMETRICO”
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo MEMS con geometria ottimizzata per la riduzione dell'offset dovuto all'effetto radiometrico. In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un sensore inerziale MEMS (dall'inglese Micro-Electro-Mechanical System, sistema micro-elettro-meccanico), quale un accelerometro o un giroscopio, avente struttura cosiddetta ″teeter totter″, in cui una massa sospesa è orientabile (″tiltable″) intorno ad un asse di rotazione orizzontale appartenente al piano di estensione della massa sospesa e passante attraverso di questa, in modo che le due parti della massa sospesa disposte su lati opposti dell'asse di rotazione si muovano in direzione opposta, trasversalmente al piano di estensione (cosiddetto movimento fuori del piano o movimento in Z).
Come noto, l'impiego di dispositivi MEMS del tipo indicato sta aumentando progressivamente in campi tecnici sempre più ampi, data la loro capacità di fornire segnali accurati, basso costo ed elevata versatilità.
In particolare, sensori inerziali del tipo indicato vengono progressivamente utilizzati in applicazioni consumer and in ambito automobilistico, ad esempio per navigazione indoor e in ausilio alla guida autonoma, applicazioni nelle quali è importante avere un'elevata precisione e fornire uscite più stabili possibili anche al variare di parametri ambientali e/o interni. In particolare, in tali applicazioni è desiderabile che i segnali di uscita del dispositivo siano stabili in temperatura, sia rispetto a influenze esterne, operanti in modo uniforme sull'intera piastrina che integra il dispositivo, sia rispetto a influenze interne, che operano in modo differenziato all'interno della piastrina. Per tenere conto delle influenze esterne, molti dispositivi MEMS presentano soluzioni in grado di compensare variazioni di temperatura esterna sul segnale esterno. Per quanto riguarda le influenze interne, solo di recente il problema è stato riconosciuto e affrontato, come discusso qui di seguito.
In generale, distribuzioni non uniformi di temperatura all'interno di un dispositivo MEMS del tipo indicato hanno in generale diverse cause. Una prima causa è legata all'elevata densità di integrazione di dispositivi elettronici in apparecchiature complesse; altre cause possono essere legate a situazioni contingenti.
Ad esempio, la figura 1 mostra una situazione esemplificativa in cui una scheda a circuito stampato 1 porta due dispositivi MEMS 2 di tipo inerziale e un dispositivo di elaborazione (CPU) 3, disposti uno sopra e uno sotto la scheda a circuito stampato 1. In alcune applicazioni, la scheda a circuito stampato 1 può portare uno solo o una pluralità di dispositivi MEMS o altri dispositivi integrati, disposti affiancati anche su piani posti davanti o dietro il piano del foglio, su un solo o su entrambi i lati della scheda a circuito stampato 1, in modo non mostrato. In questa situazione, la piccola distanza e l'elevato numero di dispositivi che dissipano energia a breve distanza su di un lato del dispositivo MEMS in questione o dalla superficie opposta della scheda a circuito stampato 1 può dare origine a profili di temperatura variabili in direzione orizzontale o verticale (con riferimento al piano del foglio).
Altre cause di distribuzioni non uniformi di temperatura sono legate a considioni operative. Infatti, esistono situazioni, ad esempio all'avviamento del dispositivo, in cui possono verificarsi rapide variazioni di temperatura che portano ad una distribuzione non uniforme all'interno della piastrina, come rappresentato in figura 2. Qui un sensore 5 comprende un dispositivo MEMS 6 portato da una schema a circuito stampato 7 e portante a sua volta un dispositivo integrato 8 realizzato come ASIC (Application Specific Integrated Circuit). In questo caso, almeno in alcune condizioni di funzionamento, si ha un profilo di temperatura non costante in direzione verticale per effetto del dispositivo integrato 7 che, durante il suo funzionamento, emette calore. In questa situazione, può essere presente un profilo di temperatura variabile all'interno del dispositivo MEMS 6, e precisamente decrescente da un valore elevato in corrispondenza della faccia superiore del dispositivo MEMS 6 ad un valore più basso in corrispondenza della faccia inferiore del dispositivo MEMS 6 stesso.
E' stato dimostrato che un gradiente di temperatura lungo l'asse Z (direzione fuori del piano) in un sensore mobile in tale direzione provoca una deviazione statica dell'offset del segnale di uscita relativo al movimento lungo l'asse Z, mentre i segnali di uscita relativi a movimenti lungo gli altri assi X e Y non sono influenzati da questo fenomeno. Questa situazione è mostrata nelle figure 3 e 4, che mostrano schematicamente un sensore inerziale avente struttura ″teeter totter″.
In dettaglio, le figure 3 e 4 mostrano un accelerometro MEMS 10 formato da una massa mobile 11 avente una superficie superiore 11A e una superficie inferiore 11B e sospesa su un substrato 12. La massa mobile 11 è costituita a grandi linee da una piattaforma o piastra avente estensione principale in un piano che, a riposo, è parallelo al piano XY di un sistema di riferimento cartesiano XYZ. La massa mobile 11 può ad esempio avere (in vista dall'alto) forma generalmente rettangolare ed è portata da un pilastro 13 estendentesi dal substrato 12 in direzione parallela all'asse Z del sistema di riferimento cartesiano XYZ. Il pilastro 13 è accoppiato alla massa mobile 11 tramite cerniere e molle (non mostrate) che consentono la rotazione della massa mobile 11 quest'ultima intorno ad un asse di rotazione O parallelo all'asse Y passante attraverso la massa mobile 11 stessa.
In particolare, in questi dispositivi, l'asse di rotazione O è eccentrico e distanziato rispetto al baricentro (non mostrato) della massa mobile 11 e divide la massa mobile 11 in una prima semimassa 14A e una seconda semimassa 14B, disposte su lati opposti rispetto all'asse di rotazione O. La prima e la seconda semimassa 14A, 14B hanno dimensioni differenti e quindi i relativi baricentri (non mostrati) hanno distanza differente dall'asse di rotazione O. Nell'esempio mostrato, la prima semimassa 14A ha dimensioni minori rispetto alla seconda semimassa 14B.
Un primo ed un secondo elettrodo 16A, 16B sono disposti al di sotto della prima e della seconda semimassa 14A, 14B (affacciati alla superficie inferiore 11B della massa mobile 11). In dettaglio, il primo ed un secondo elettrodo 16A, 16B sono affacciati alla prima e, rispettivamente, alla seconda semimassa 14A, 14B e formano con queste un primo e, rispettivamente, un secondo elemento capacitivo 17A, 17B aventi rispettivamente capacità C1 e C2.
La figura 3 mostra la situazione ideale in assenza di forze (interne o esterne) agenti sulla massa mobile 11. In questa situazione, la massa mobile 11 si trova in posizione di riposo, e il suo piano di estensione principale è parallelo al piano XY, come indicato sopra. In questa situazione, la prima e la seconda semimassa 14A, 14B sono disposte alla stessa distanza dal rispettivo elettrodo 16A, 16B e gli elementi capacitivi 17A, 17B presentano capacità C10 = C20. Un circuito di elaborazione non mostrato, collegato agli elementi capacitivi 17A, 17B e in grado di tradurre la differenza tra le capacità C1 e C2 in un segnale elettrico di uscita in tensione. In assenza di accelerazione l’uscita di tale circuito risulta nulla.
In figura 4, una sorgente calda 21 è stata disposta al di sopra della massa mobile 11 (affacciata alla superficie superiore 11A) e una sorgente fredda 22 è stata disposta al di sotto della massa mobile 11 affacciata alla superficie inferiore 11B).
Le sorgenti 21 e 22 generano un gradiente di temperatura all'interno della massa mobile 11 in direzione parallela all'asse Z. In questa situazione, anche in assenza di forze esterne applicate, la massa mobile 11 ruota, qui in direzione oraria (freccia 25). Di conseguenza, gli elementi capacitivi 17A, 17B presentano capacità differente (e precisamente si avrà C2 > C1), per cui il segnale di uscita diventa non nullo.
La rotazione della massa mobile 11 in presenza di un gradiente termico interno è causata da effetti radiometrici. Questi effetti, scoperti nel 1873 da William Crookes e sfruttati nel radiometro di Crookes (anche chiamato "mulino a luce" o "motore solare") sono legati all'azione esercitata da molecole di gas agenti in maniera differenziale su opposte superfici, scaldate a temperature diverse. In particolare, secondo la teoria di Einstein, le forze radiometriche dipendono dal cammino libero medio λ delle molecole del gas in cui è immerso il corpo considerato (dispositivo MEMS 10); questo a sua volta dipende dalla densità del gas e dalla sezione delle molecole. Le forze radiometriche dipendono inoltre dal valore e dalla direzione del gradiente di temperatura e, per una struttura piastriforme dotata di una cavità, seguono la legge:
in cui:
è la forza agente sulla struttura
è la pressione standard (1 bar)
è la pressione nella cavità
è il cammino libero medio delle molecole del gas alla pressione PC
è il cammino libero medio delle molecole del gas alla pressione P0
è la temperatura standard (25°C)
è il perimetro della cavità
è il profilo di temperatura attraverso la struttura.
Assumendo che la variazione di temperatura dipenda solo dallo spazio e dato lo spessore ridotto della struttura piastriforme si ha:
in cui è la temperatura della faccia calda della struttura, è la temperatura della faccia fredda della struttura e è lo spessore della struttura.
La (1) diventa quindi:
Il problema delle forze radiometriche agenti su una massa mobile (avente forma piatta) di un dispositivo MEMS è stato finora poco affrontato. Una soluzione è descritta negli articoli ″ADVANCED SURFACE MICROMACHINING PROCESS – A FIRST STEP TOWARDS 3D MEMS″ di J. Classen e altri, MEMS 2017, Las Vegas, NV, USA, January 22-26, 2017, IEEE, 978-1-5090-5078-9/17 e ″Radiometric effects in MEMS Accelerometers″, di C. Nagel e altri, IEEE, 978-1-5090-1012-7/17, descriventi un accelerometro destinato a rilevare forze agenti in direzione Z (fuori dal piano della piattaforma mobile) avente struttura simmetrica e riprodotto nelle figure 5-7.
In dettaglio, l'accelerometro descritto negli articoli sopra citati (indicato con 30 nelle figure 5-7) presenta una massa mobile 31 di forma rettangolare incernierata ad un pilastro 33 in posizione mediana, come visibile in particolare nella vista dall'alto di figura 6, nella quale l'asse di rotazione è indicato con O1 e si estende in direzione parallela ai lati corti del rettangolo, equidistante da essi. La massa mobile 31 è costituita da una piattaforma di materiale semiconduttore, comprendente due semimasse 32A, 32B dotate di una pluralità di fori passanti 34. Come visibile in particolare in figura 6, i fori passanti 34 hanno tutti stessa area in un piano parallelo al piano XY di un sistema di riferimento cartesiano XYZ e hanno disposizione simmetrica rispetto all'asse di rotazione O1.
Come si nota in particolare nella sezione trasversale di figura 7, ciascuna semimassa 32A, 32B comprende una prima porzione 35A, rispettivamente 35B contigua all'asse di rotazione O1 e una seconda porzione 36A, 36B disposta più remota dall'asse di rotazione O1, in continuazione della rispettiva prima porzione 35A, 35B.
Le prime porzioni 35A, 35B sono fra loro identiche e in particolare hanno stessa area in un piano parallelo al piano XY (come si nota in figura 6) e stesso spessore lungo l'asse Z (come si nota in figura 7, mostrante una sezione presa parallelamente al piano XY del sistema di riferimento cartesiano XYZ). Le seconde porzioni 36A, 36B hanno stessa area ma differente spessore lungo l'asse Z: la seconda porzione 36A della prima semimassa 32A (a sinistra nelle figure 5-7) ha spessore inferiore rispetto alla seconda porzione 36B della seconda semimassa 32B (a destra nelle figure 5-7). In particolare, nell'esempio mostrato, la seconda porzione 36A della prima semimassa 32A ha lo stesso spessore delle prime porzioni 35A, 35B e la seconda porzione 36B della seconda semimassa 32B ha spessore maggiore.
Un substrato 44, elettrodi superiori 40A, 40B (portati dalla massa mobile 31) ed elettrodi inferiori 41A, 42B (portati dal substrato 44), insieme ad un cappuccio 43 completano la struttura dell'accelerometro 30.
La figura 7 mostra le forze agenti sulle semimasse 32A e 32B in presenza di un gradiente termico all'interno della massa mobile 31, con molecole d'aria calde che si muovono dal basso verso l'alto (come rappresentato dalle frecce 46, in grigio più scuro nella zona più calda, in alto, e grigio più chiaro nella zona più fredda, in basso).
In questa situazione, nell'ipotesi che gli spessori delle porzioni 35A, 35B, 36A (e quindi 36B) delle due semimasse 32A, 32B siano maggiori del cammino libero medio � delle molecole del gas, sulla prima e sulla seconda semimassa 32A, 32B agiscono una prima ed una seconda forza radiometrica F1, F2 (figura 7) fra loro differenti, dato il diverso spessore delle due semimasse 32A, 32B. Dato che le due semimasse 32A, 32B hanno baricentro posto alla stessa distanza dall'asse di rotazione O1 e quindi uguale braccio di applicazione delle forze F1, F2, è possibile dimostrare che il rapporto fra i momenti agenti sulle semimasse 32A, 32B è inversamente proporzionale al rapporto dei rispettivi spessori e quindi diverso da 1.
Di conseguenza sulle due semimasse 32A, 32B agiscono momenti diversi che provocano una rotazione della massa mobile 31, nell'esempio considerato (con temperatura della superficie superiore della massa mobile 31 maggiore di quella sulla superficie inferiore) in direzione oraria.
Ne consegue che, anche con questa struttura nota, l'effetto radiometrico crea un momento torcente non trascurabile che porta a deviazioni di offset nel segnale di uscita dell'accelerometro.
Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sensore MEMS che superi gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo MEMS, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra schematicamente un sistema comprendente più sensori MEMS e relativa unità elettronica su una scheda a circuito stampato;
- la figura 2 mostra schematicamente un altro sensore MEMS con diversa disposizione del sensore e dell'unità elettronica;
- la figura 3 è una vista laterale schematica di un sensore MEMS di tipo ″teeter totter″ in condizione di riposo e in assenza di sollecitazioni;
- la figura 4 è una vista laterale schematica di un sensore MEMS di tipo ″teeter totter″ in presenza di sollecitazioni dovute all'effetto radiometrico;
- la figura 5 è una vista prospettica semplificata di un accelerometro noto;
- la figura 6 è una vista dall'alto sull'accelerometro di figura 5;
- la figura 7 è una sezione longitudinale schematica, presa lungo il piando di traccia VII-VII di figura 6, mostrante le forze agenti causate dall'effetto radiometrico;
- la figura 8 è una vista dall'alto schematica del layout della massa mobile secondo una forma di realizzazione del presente dispositivo;
- la figura 9 è una sezione longitudinale schematica, presa lungo il piano di traccia IX-IX di figura 8 del presente dispositivo;
- la figura 10 è una vista dall’alto di una possibile forma di realizzazione del presente dispositivo;
- le figure 11A e 11B mostrano il risultato di misure effettuate su un dispositivo noto e sul dispositivo di figura 10; e
- la figura 12 mostra un diagramma a blocchi di massima di un dispositivo elettronico incorporante il presente dispositivo.
Le figure 8 e 9 mostrano schematicamente un sensore 50 di tipo inerziale ed avente struttura cosiddetta ″teeter totter″.
In dettaglio, il sensore 50 comprende una massa mobile 51 sospesa su un substrato 52 (figura 9) attraverso un pilastro 53 estendentesi dal substrato 52 in direzione parallela all'asse Z di un sistema di riferimento cartesiano XYZ. Il pilastro 53 è accoppiato alla massa mobile 51 tramite cerniere e molle non mostrate che consentono l'oscillazione (″tilting″) della massa mobile 51 intorno ad un asse di rotazione A.
La massa mobile 51 ha una grandezza caratteristica (qui la lunghezza in direzione X) molto maggiore del suo spessore, ad esempio maggiore di 10 volte. In particolare, a riposo, la massa mobile 51 ha superfici maggiori (superficie superiore 51A e superficie inferiore 51B) estendentisi in un piano parallelo al piano XY del sistema di riferimento cartesiano XYZ e spessore tp estendentesi in direzione parallela all'asse Z. Lo spessore tp della massa mobile 51 è uniforme su tutta la sua area, come visibile in figura 9. Nell'esempio mostrato, la massa mobile 51 ha (in vista dall'alto) forma generalmente rettangolare con lati paralleli agli assi X e Y e l'asse di rotazione A (estendentesi parallelamente all'asse Y) è eccentrico rispetto alla forma rettangolare della massa mobile 51. Di conseguenza, l'asse di rotazione A divide la massa mobile 51 in una prima semimassa 54 e una seconda semimassa 55, disposte su lati opposti rispetto all'asse di rotazione A stesso, di differente area. La prima e la seconda semimassa 54, 55 hanno quindi ciascuna un proprio baricentro B1, B2 disposto ad una prima distanza b1 e, rispettivamente, una seconda distanza b2, fra loro differenti, dall'asse di rotazione A, come mostrato in figura 9. In particolare, nel dispositivo 50 mostrato nelle figure 8 e 9, b1 < b2.
Un primo e un secondo elettrodo 56, 57 sono disposti di fronte alla superficie inferiore 51B, affacciati alla prima, rispettivamente alla seconda semimassa 54, 55 e formano con queste un primo e, rispettivamente, un secondo elemento capacitivo 58, 59.
Le semimasse 54, 55 sono forate in modo disuniforme; in particolare, la prima semimassa 54 presenta primi fori 60 e la seconda massa 61 presenta secondi fori 61.
I primi fori 60 e i secondi fori 61 sono previsti in numero tale e hanno dimensioni tali da definire globalmente (insieme alle relative semimasse 54, 55) un primo perimetro p1 e un secondo perimetro p2 fra loro differenti, con p1> p2, e tali da soddisfare l'equazione:
p1 x b1 = p2 x b2 (3)
In particolare, nell'equazione (3) sopra, il primo perimetro p1 è dato dalla somma di tutti i perimetri dei primi fori 60 e del perimetro esterno della semimassa 54, e, analogamente, il secondo perimetro p2 è dato dalla somma di tutti i perimetri dei secondi fori 61 e del perimetro esterno della semimassa 55.
In figura 8, questo è rappresentato formando i primi fori 60 in numero diverso dai secondi fori 61 e realizzando i primi fori 60 di forma rettangolare, con lato stretto di lunghezza W1 e lato lungo di lunghezza L1, e i secondi fori 61 di forma quadrata, con lato L2 > L1. Tuttavia, le combinazioni di numero, forma e disposizione dei fori 61, 62 è infinita, e l'unica condizione che essi devono soddisfare per minimizzare il drift dovuto all’effetto radiometrico è l'equazione (3).
Ad esempio, i secondi fori 61 possono anch'essi avere forma rettngolare con lato stretto di lunghezza W2 e lato lungo con lunghezza L2. In generale, quindi, e nell'ipotesi di realizzare primi e secondi fori 60, 61 tutti di forma rettangolare, la (3) diventa:
in cui N1 è il numero di primi fori 60 e N2 è il numero di secondi fori 61.
In questa situazione, la (2) diventa (indicando le grandezze con l'indice 1 o 2 a seconda che si riferiscano alla prima o alla seconda massa 54, 55 o senza indicazione, se uguali):
Inoltre, il momento M1 e M2 agente sulla prima e, rispettivamente, sulla seconda massa 54, 55 è dato da:
M1 = F1 b1 (4.1)
M2 = F2 b2 (4.2)
Combinando le (2.1), (2.2), (4.1) e (4.2) e tenendo conto della (3), si ottiene:
Quindi sulla prima e, rispettivamente, sulla seconda massa 54, 55 agiscono momenti M1, M2 di uguale valore che si compensano. Ne consegue che, con le condizioni geometriche indicate, le forze radiometriche agiscono sulla massa mobile 51 ma non provocano la rotazione della massa mobile 51 stessa e quindi non danno origine ad un segnale di offset.
Un esempio di realizzazione di un accelerometro che soddisfa la condizione (3) o (3.1) indicata sopra e quindi presenta effetto radiometrico compensato è mostrato in figura 10, nella quale, per semplicità, parti equivalenti a quelle del sensore 50 delle figure 8 e 9 sono indicate con numeri incrementati di 100 e non sono descritte in dettaglio.
In particolare, l'accelerometro 150 di figura 10 comprende una massa sospesa 151 (della quale è mostrata solo metà della struttura; la struttura intera della massa sospesa 151 si ottiene ribaltando la struttura mostrata in figura 10 intorno all'asse orizzontale B).
La massa sospesa 151 presenta una prima semimassa 154 e una seconda semimassa 155, portate da un pluralità di pilastri 153 (nell'esempio di realizzazione mostrata, quattro pilasti 153, due dei quali visibili). In figura 10, una molla 170 collega i pilastri 153 alle due semimasse 154, 155 (un'analoga molla non mostrata è ovviamente prevista nella metà massa mobile 151 non mostrata). Nella forma di realizzazione mostrata, la molla 170 ha una struttura a linea spezzata, con una coppia di prime porzioni 170A (estendentisi dai e intorno ai rispettivi pilastri 153), una singola porzione centrale 170B (in prosecuzione delle prime porzioni, estendentesi lungo l'asse di rotazione A) e due porzioni divergenti 170C (che si estendono dalla porzione centrale 170B verso una rispettiva semimassa 154, 155, perpendicolarmente all'asse di rotazione A). La forma della molla 170 può tuttavia variare e non è oggetto della presente domanda di brevetto.
Secondo quanto spiegato sopra, le semimasse 154, 155 presentano ciascuna una pluralità di aperture, non simmetriche rispetto all'asse di rotazione A, il cui numero e dimensioni soddisfano la relazione (3) o (3.1) sopra indicata.
Nella forma di realizzazione mostrata, la semimassa 154, che ha area inferiore, presenta aperture di dampening 175 che alloggiano una pluralità di strutture di smorzamento o dampening 176 (due mostrate in figura 10), non oggetto della presente domanda di brevetto.
Inoltre, nella forma di realizzazione mostrata, la prima semimassa 154 presenta un lato di delimitazione 177, generalmente parallelo all'asse di rotazione A, dotato di una sporgenza 178 all'interno della quale si estendono aperture rettangolari 179.
Ulteriori aperture 180 possono estendersi nella prima semimassa 154, in modo asimmetrico rispetto alla seconda semimassa 155.
Nell'accelerometro 150, le aperture di dampening 175, le aperture rettangolari 179 e le ulteriori aperture 180, tutte passanti, sono studiate in modo che la somma dei loro perimetri, insieme ai perimetri dei primi fori 160, della prima semimassa 154 e della semitrincea della molla 170, soddisfi la relazione (3) rispetto alla somma dei perimetri dei secondi fori 161, della seconda semimassa 155 e dell'altra semitrincea della molla 170.
In questo modo, mediante un semplice dimensionamento in fase di progettazione, è possibile ridurre drasticamente o addirittura annullare l'offset del segnale di uscita dovuto all'effetto radiometrico, in assenza di altre sollecitazioni.
Studi della richiedente hanno confermato il risultato teorico, come mostrato nelle figure 11A e 11B, mostranti misure di isteresi effettuate su dispositivi con struttura analoga, riscaldati inizialmente su un lato a partire da -80°C fino circa 60°C e poi raffreddati da circa 60°C fino a -80°C. In particolare, la figura 11A mostra l'accelerazione (in mg, in cui g è l'unità di accelerazione di gravità) ottenuta con un accelerometro tradizionale dotato di aperture passanti legate solamente a considerazioni geometriche e funzionali usuali e non soddisfacente la condizione (3) sopra esposta e la figura 11B mostra i risultati ottenuti con il dispositivo di figura 10 e distinto dall'accelerometro tradizionale solo per la geometria delle aperture passanti. Come si nota, nel dispositivo tradizionale, (figura 11A) le curve di riscaldamento e di raffreddamento mostrano elevata isteresi, mentre nel dispositivo soddisfacente la condizione (3), figura 11B, le curve di riscaldamento e di raffreddamento sono praticamente sovrapposte e non esiste praticamente isteresi.
Tale risultato può essere ottenuto variando solo la geometria e il perimetro delle aperture, fori e trincee passanti nella prima semimassa 54 (ovvero la semimassa di dimensioni più ridotte di figura 8); tuttavia, la modifica delle aperture passanti per soddisfare la relazione (3) può riguardare anche solo la seconda semimassa 55 (di maggiori dimensioni). Vantaggiosamente, tale condizione può essere ottenuta senza impatto sui parametri elettromeccanici, le dimensioni e la robustezza meccanica della massa mobile, e quindi senza impatto sulle altre prestazioni del sensore inerziale, a fronte di un miglioramento nel comportamento dovuto a forze radiometriche.
Inoltre, il dimensionamento ricercato può essere ottenuto senza modifica del processo di fabbricazione del sensore inerziale, e quindi a costi di fabbricazione invariati.
Il sensore inerziale descritto è particolarmente adatto all’integrazione in un dispositivo elettronico 200, come mostrato in figura 12, utilizzabile in una pluralità di sistemi elettronici in grado di elaborare, memorizzare, trasmettere e ricevere segnali ed informazioni. Ad esempio, il dispositivo elettronico 200 può ad esempio essere un sistema di navigazione inerziale, un sistema automotive o un sistema 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 200 può ad esempio comprendere il sensore 50, qui realizzato come accelerometro; un circuito elettronico 205, tipicamente un ASIC, operativamente accoppiato al sensore 50, che realizza una interfaccia di lettura per il sensore 50, fornisce segnali di polarizzazione al sensore 50 stesso (in modo di per sé noto, qui non illustrato in dettaglio), rileva l’entità degli spostamenti della massa mobile 51 (figura 8) e quindi determina l'accelerazione in Z agente sulla massa mobile 51 stessa; ed un’unità elettronica di controllo 220, ad esempio a microprocessore, collegata al circuito elettronico 205, ed atta a sovrintendere al funzionamento generale del dispositivo elettronico 200, ad esempio sulla base delle accelerazioni rilevate. Inoltre, l’apparecchio elettronico 200 può comprendere un’interfaccia di ingresso/uscita 240, ad esempio dotata di una tastiera e di un video, collegata all’unità elettronica di controllo 220, un altoparlante 250, per generare suoni su un’uscita audio (non mostrata), ed una memoria interna 260. Il sensore 50 e il circuito elettronico 205 possono essere incapsulati in una struttura di packaging e formare un dispositivo inerziale 230.
Risulta infine chiaro che al dispositivo MEMS qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. In particolare, come indicato, la disposizione e numero di aperture passanti può variare ampiamente rispetto a quanto illustrato e anche la forma, disposizione della massa mobile e delle strutture previste possono essere qualsiasi, legate alle rispettive funzionalità, con la condizione che le aperture soddisfino la relazione (3) sopra indicata.

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo MEMS (50; 150) con struttura ″teeter totter″, comprendente: una massa mobile (51; 151) avente un'area in un piano e uno spessore in direzione perpendicolare al piano, la massa mobile essendo orientabile intorno un asse di rotazione (A) estendentesi parallelamente al piano ed essendo formata da una prima e da una seconda semimassa (54; 55; 154, 155) disposte su lati opposti dell'asse di rotazione, la prima e la seconda massa avendo un primo, rispettivamente un secondo baricentro (B1, B2)) aventi una prima, rispettivamente una seconda distanza b1, b2 dall'asse di rotazione; prime aperture passanti (60; 160, 175, 179, 180) nella prima semimassa (54; 154), le prime aperture passanti e la prima semimassa avendo un primo perimetro totale p1 nel piano; e seconde aperture passanti (61; 161) nella seconda semimassa (55; 155), le seconde aperture passanti e la seconda semimassa avendo un secondo perimetro totale p2 nel piano, in cui il primo e il secondo perimetro p1, p2 soddisfano l'equazione: p1 x b1 = p2 x b2.
  2. 2. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 1, costituente un accelerometro o un giroscopio.
  3. 3. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 1 o 2, costituente un accelerometro in Z.
  4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa mobile (51; 151) comprende una piattaforma monolitica di materiale semiconduttore.
  5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa mobile (51; 151) ha spessore uniforme.
  6. 6. Apparecchio elettronico (200) comprendente: il dispositivo MEMS (50; 150) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; un circuito elettronico (205) accoppiato al dispositivo MEMS; una unità di elaborazione (220), accoppiata al circuito elettronico (205); una interfaccia (240) accoppiata alla unità di elaborazione (220); e un dispositivo di memoria (260) accoppiata all'unità di elaborazione (220).
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