IT201900009651A1 - Sensore inerziale mems con elevata resistenza al fenomeno di adesione - Google Patents

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Alessandro Tocchio
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “SENSORE INERZIALE MEMS CON ELEVATA RESISTENZA AL FENOMENO DI ADESIONE”
La presente invenzione è relativa ad un sensore inerziale MEMS (“Microelectromechanical System”) con elevata resistenza al fenomeno di adesione (“stiction”). In particolare, nel seguito si fa riferimento ad un accelerometro MEMS di tipo capacitivo.
Come è noto, gli accelerometri di tipo MEMS comprendono una massa inerziale sospesa avente un piano di estensione principale; generalmente, la massa inerziale è portata in modo da essere mobile lungo una direzione (asse di rilevamento) giacente o parallela al piano di estensione principale per effetto di accelerazioni esterne.
Ad esempio, le figure 1A ed 1B mostrano un accelerometro MEMS 1 noto di tipo capacitivo in due diverse posizioni operative; in particolare, l’accelerometro MEMS 1 si estende in un primo piano XY di un sistema di riferimento cartesiano XYZ ed ha un asse di rilevamento S estendentesi nel medesimo primo piano XY, in particolare parallelamente ad un primo asse cartesiano Y del sistema di riferimento cartesiano XYZ. In dettaglio, la figura 1A mostra l’accelerometro MEMS 1 in condizione di riposo; in questa condizione, il baricentro O dell'accelerometro MEMS 1 è posto in un punto d0 lungo il primo asse cartesiano Y.
L’accelerometro MEMS 1 comprende una massa inerziale 3, di materiale semiconduttore (ad esempio, silicio) avente massa m ed estendentesi al di sopra di un substrato non visibile nelle figure 1A e 1B. Qui, la massa inerziale 3 ha forma, in vista dall’alto, a cornice quadrangolare (ad esempio, rettangolare) e presenta un’apertura 9.
Un primo ed un secondo elettrodo 13, 15, di materiale conduttivo (ad esempio silicio) si estendono nell'apertura 9 e sono ancorati al substrato (non visibile) mediante rispettive porzioni di ancoraggio 13A, 15A. In particolare, gli elettrodi 13, 15 hanno, in vista dall’alto, forma quadrangolare allungata (ad esempio, rettangolare) con estensione principale lungo un secondo asse cartesiano X del sistema di riferimento cartesiano XYZ.
La massa inerziale 3 presenta una prima ed una seconda superficie interna 3A, 3B rivolte verso l'apertura 9 e agli elettrodi 13, 15 ed estendentisi perpendicolarmente all’asse di rilevamento S, qui parallelamente ad un secondo piano XZ del sistema di riferimento cartesiano XYZ.
In maggior dettaglio, nella condizione di riposo dell'accelerometro MEMS 1, la prima e la seconda superficie interna 3A, 3B sono disposte ad una prima e ad una seconda distanza d1, d2 dal primo e, rispettivamente, dal secondo elettrodo 13, 15. La prima e la seconda superficie 3A, 3B e i rispettivi primo e secondo elettrodo 13, 15 sono capacitivamente accoppiati tra loro e formano le armature di corrispondenti condensatori aventi, nella condizione di riposo dell'accelerometro MEMS 1, capacità C1, C2.
La massa inerziale 3 è qui attraversata per il suo intero spessore (in direzione parallela ad un terzo asse cartesiano Z) da una pluralità di fori 17 che consentono, durante il procedimento di fabbricazione, il rilascio della massa inerziale 3.
La massa inerziale 3 è accoppiata ad un elemento di vincolo 5, fisso e solidale al substrato (non mostrato), mediante un elemento a molla 7 configurato per consentire uno spostamento, qui una traslazione, della massa inerziale 3 lungo l’asse di rilevamento S in risposta ad un’accelerazione esterna aext avente una componente diretta parallelamente al primo asse cartesiano Y. Nell'esempio di realizzazione mostrato, l'elemento di vincolo 5 è disposto esternamente alla massa inerziale 3 ed accoppiato ad una prima parete esterna 3C della forma a cornice di questa.
L’accelerometro MEMS 1 comprende inoltre un elemento di arresto 19, ad esempio formato da una regione fissa estendentesi dal substrato (non mostrato) a distanza dalla massa inerziale 3. In particolare, nell'esempio di realizzazione mostrato, l'elemento di arresto 19 è disposto esternamente alla massa inerziale 3, su una seconda parete esterna 3D di questa, opposta alla prima parete esterna 3C. Nella condizione di riposo dell'accelerometro MEMS 1, mostrata in figura 1A, l'elemento di arresto 19 è disposto ad una distanza di arresto ds dalla seconda parete esterna 3D della massa inerziale 3.
In uso, la massa inerziale 3 e gli elettrodi 13, 15 sono polarizzati a rispettive tensioni di polarizzazione, che risultano, ad esempio, in un valore efficace tra la massa inerziale 3 e gli elettrodi 13, 15 di circa 1 V.
Per effetto della polarizzazione, la massa inerziale 3 è soggetta ad una forza elettrostatica totale Fel, data dalla somma di una prima e di una seconda forza elettrostatica Fel1, Fel2. In dettaglio, la prima forza elettrostatica Fel1 agisce tra il primo elettrodo 13 e la prima superficie interna 3A; e la seconda forza elettrostatica Fel2 agisce tra il secondo elettrodo 15 e la seconda superficie interna 3B.
L'accelerometro MEMS 1 è progettato in modo che, in condizione di riposo (figura 1A), la prima e la seconda distanza d1, d2 fra la massa inerziale 3 e gli elettrodi 13, 15 siano uguali fra loro, così come la prima e la seconda capacità C1, C2; pertanto, la prima e la seconda forza elettrostatica Fel1, Fel2 sono uguali e la forza elettrostatica totale Fel è nulla.
Di conseguenza, in condizione di riposo, l’elemento a molla 7 è indeformato.
In uso, un'accelerazione esterna aext, agente sulla struttura fissa dell’accelerometro MEMS 1, diretta lungo l’asse di rilevamento S (ad esempio, diretta verso il basso nel piano del disegno), provoca una traslazione della massa inerziale 3 lungo l’asse di rilevamento S in direzione opposta rispetto all’accelerazione esterna aext, come mostrato in figura 1B.
Di conseguenza, le distanze d1, d2 (e, quindi, le capacità C1, C2) variano. In particolare, con l'accelerazione esterna aext mostrata, la prima distanza d1 diminuisce e la seconda distanza d2 aumenta; inoltre, poiché è noto che le capacità C1, C2 sono inversamente proporzionali alle rispettive distanze d1, d2, la prima capacità C1 aumenta e la seconda capacità C2 diminuisce.
La traslazione della massa inerziale 3 si interrompe nel momento in cui essa va in battuta contro l’elemento di arresto 19, avendo percorso una distanza pari alla distanza di arresto ds (figura 1B). In questa situazione, il baricentro O della massa inerziale 3 è in una posizione traslata dT = d0+ds lungo il primo asse cartesiano Y; inoltre, la distanza tra il primo elettrodo 13 e la prima superficie interna 3A diminuisce e diventa pari a d1-ds e la distanza tra il secondo elettrodo 15 e la seconda superficie interna 3B aumenta e diventa pari a d2+ds. Conseguentemente, la prima e la seconda capacità C1, C2, nonché le rispettive prima e seconda forza elettrostatica Fel1, Fel2, non sono più uguali.
In particolare, quando in battuta, la massa inerziale 3 è soggetta ad una forza elettrostatica totale Fel, data d all’equazione 1:
in cui ε è la costante dielettrica, Ael è l’area degli elettrodi 13, 15 (e, quindi, della porzione delle superfici 3A, 3B della massa inerziale 3 affacciata ad essi) e ΔV è la tensione tra le armature dei condensatori C1, C2.
Inoltre, quando la massa inerziale 3 è in battuta con l’elemento di arresto 19 (figura 1B), su di essa agisce una forza di adesione Fa che tende a mantenerla in battuta per il fatto che la massa inerziale 3 e l’elemento di arresto 19 sono realizzati con il medesimo materiale (ad esempio silicio).
Non appena l’accelerazione esterna aext termina (ovvero aext = 0), una forza elastica di richiamo Fm esercitata dall’elemento a molla 7 riporta la massa inerziale 3 nella posizione di riposo mostrata in figura 1A. In particolare, la forza elastica di richiamo Fm agisce lungo l’asse di rilevamento S, in verso opposto rispetto alla direzione di spostamento della massa inerziale 3.
La forza elastica di richiamo Fm è data in modo noto dall'equazione seguente:
Per vincere la forza di adesione Fa e riportare la massa inerziale 3 nella posizione di riposo (figura 1A), in modo che essa possa rilevare ulteriori accelerazioni agenti dall'esterno, l'elemento a molla 7 viene progettato in modo che la forza di richiamo elastico Fm sia tale da compensare sia la forza di adesione Fa sia la forza elettrostatica totale Fel instauratasi nella fase di figura 1B. In altre parole, si desidera che:
in cui Fa (t=0) è la forza di adesione nativa (ovvero, la forza di adesione stimata prima del primo utilizzo dell’accelerometro MEMS 1) e α è un coefficiente di sicurezza.
Tuttavia, la stima e la compensazione della forza di adesione Fa sono complesse.
Infatti, la forza di adesione Fa dipende da un elevato numero di aspetti tribologici legati alla geometria, ai materiali, ai processi di fabbricazione e alle condizioni operative ed è inoltre variabile nel tempo.
In aggiunta, il coefficiente di sicurezza α nell’equazione 3 non è liberamente impostabile e deriva da considerazioni di compromesso rispetto alle prestazioni desiderate e i costi di fabbricazione. Infatti, esso dipende da parametri costruttivi ed elettromeccanici dell’accelerometro MEMS 1 (quali, ad esempio, la costante k dell’elemento a molla 7, la distanza di arresto ds tra la seconda parete esterna 3D della massa inerziale 3 e l’elemento di arresto 19 e l’area Ael degli elettrodi 13, 15). Tuttavia, gli attuali requisiti costruttivi (quali, ad esempio, requisiti di larghezza di banda, di incapsulamento, “package”, di rumore e di fondo scala, “full scale”) non consentono di scegliere liberamente i suddetti parametri costruttivi e, quindi, non è sempre possibile massimizzare il coefficiente di sicurezza α.
Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sensore inerziale MEMS che superi gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un sensore inerziale 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:
- le figure 1A ed 1B mostrano schematicamente un sensore inerziale MEMS di tipo noto in vista dall’alto rispettivamente posizione di riposo e in presenza di una accelerazione esterna;
- la figura 2 mostra schematicamente il presente sensore MEMS inerziale in vista dall’alto e in posizione di riposo;
- le figure 3-5 mostrano schematicamente il presente sensore inerziale MEMS secondo una forma di realizzazione in successive posizioni, quando soggetto ad una accelerazione esterna;
- la figura 6 mostra una possibile implementazione del presente sensore inerziale MEMS;
- la figura 7 mostra un diagramma a blocchi di massima di un apparecchio elettronico incorporante un sensore inerziale MEMS;
- la figura 8 mostra schematicamente il presente sensore inerziale MEMS in vista dall’alto secondo un’altra forma di realizzazione; e
- la figura 9 mostra schematicamente il presente sensore inerziale MEMS in vista dall’alto secondo un’ulteriore forma di realizzazione.
La figura 2 mostra un sensore inerziale MEMS, in particolare un accelerometro MEMS 30 di tipo capacitivo configurato per rilevare accelerazioni esterne dirette lungo un asse di rilevamento S estendentesi in un primo piano XY di un sistema di riferimento cartesiano XYZ, in particolare parallelamente ad un primo asse cartesiano Y del sistema di riferimento cartesiano XYZ. In particolare, la figura 2 mostra l’accelerometro MEMS 30 in condizione di riposo.
L’accelerometro MEMS 30 comprende una prima ed una seconda massa inerziale 33, 34, di materiale semiconduttore (ad esempio, silicio), aventi rispettivamente una prima ed una seconda massa m1, m2. In generale, a parità di sensibilità e di comportamento dell'accelerometro MEMS 30, come spiegato in dettaglio sotto la somma della prima e della seconda massa m1, m2 è uguale alla massa m dell’accelerometro MEMS 1 delle figure 1A-1B e la seconda massa m2 è, ad esempio, maggiore rispetto alla prima massa m1. Ad esempio, vantaggiosamente, il rapporto fra la prima e la seconda massa m1/m2 è pari a 0,5.
La prima e la seconda massa inerziale 33, 34 hanno struttura sostanzialmente planare con dimensioni principali lungo il primo asse cartesiano Y e un secondo asse cartesiano X del sistema di riferimento cartesiano XYZ e uno spessore (lungo un terzo asse cartesiano Z) trascurabile rispetto alle prime due dimensioni. Esse si estendono quindi principalmente nel primo piano XY.
La prima e la seconda massa inerziale 33, 34 hanno rispettivi baricentri O' e O″ che, nella condizione di riposo di figura 2, sono disposti in una prima e, rispettivamente, in una seconda posizione di riposo d0’, d0” (si noti che in seguito, le notazioni d0', d0″, ecc. verranno usate per indicare sia le posizioni dei baricentri O' e O″ sia le loro distanze dal centro del sistema cartesiano XYZ lungo il primo asse cartesiano Y).
La prima e la seconda massa 33, 34 si estendono al di sopra di un substrato non visibile in figura 2 e facente parte di una struttura fissa 41 di materiale semiconduttore (ad esempio, silicio).
Nell'esempio di realizzazione mostrato, la prima massa inerziale 33 ha forma, in vista dall’alto, a cornice quadrangolare (ad esempio, rettangolare) e presenta un’apertura 39. Un primo ed un secondo elettrodo 43, 45, di materiale conduttivo (ad esempio silicio drogato), si estendono all'interno dell'apertura 39 a partire dal substrato (non mostrato) a cui sono ancorati mediante rispettive porzioni di ancoraggio 43A, 45A.
In particolare, gli elettrodi 43, 45 hanno, in vista dall’alto, forma quadrangolare allungata (ad esempio, rettangolare) con estensione principale lungo il secondo asse cartesiano X.
La prima massa inerziale 33 presenta una prima ed una seconda superficie interna 33A, 33B rivolte verso l'apertura 39 e gli elettrodi 43, 45 ed estendentisi perpendicolarmente all’asse di rilevamento S, qui parallelamente ad un secondo piano XZ del sistema di riferimento cartesiano XYZ.
Nella condizione di riposo dell'accelerometro MEMS 30 di figura 2, il primo e il secondo elettrodo 43, 45 sono rispettivamente disposti ad una prima e ad una seconda distanza d1’, d2’ dalle rispettive prima e seconda superficie 33A, 33B. Inoltre, la prima e la seconda superficie 33A, 33B sono capacitivamente accoppiate al primo e, rispettivamente, al secondo elettrodo 43, 45 e formano le armature di corrispondenti condensatori aventi rispettivamente una prima ed una seconda capacità C1’, C2’.
La prima massa inerziale 33 è accoppiata ad un elemento di vincolo 35 fisso e solidale al substrato (non mostrato), mediante un primo elemento a molla 37 configurato per consentire uno spostamento, qui una traslazione, della prima massa inerziale 33 lungo l’asse di rilevamento S in risposta ad un’accelerazione esterna aext avente una componente diretta parallelamente al primo asse cartesiano Y. Nell'esempio di realizzazione mostrato, l'elemento di vincolo 35 è disposto esternamente alla prima massa inerziale 33 e accoppiato ad una prima parete esterna 33C della forma a cornice di questa. Inoltre, il primo elemento a molla 37 è, ad esempio, del tipo ripiegato (“folded”) con forma a serpentina in vista dall’alto e presenta una prima costante elastica k1 e tipicamente presenta valore uguale a quello della costante elastica k dell’elemento a molla 7 dell’accelerometro MEMS 1 delle figure 1A-1B, in modo da non modificare la sensibilità dell’accelerometro 30. Ad esempio la prima costante elastica k1 può essere compresa tra 1 e 50 N/m.
La seconda massa inerziale 34 è accoppiata alla prima massa inerziale 33 mediante un secondo elemento a molla 38, avente forma, ad esempio, sostanzialmente anulare in vista dall’alto; in particolare, il secondo elemento a molla 38 ha una seconda costante elastica k2, molto maggiore della prima costante elastica k1, ad esempio avente un rapporto pari a 0,01. Di conseguenza, il secondo elemento a molla 38 è più rigido del primo elemento a molla 37.
Il secondo elemento a molla 38 è configurato per deformarsi, in presenza di un’accelerazione esterna aext, agente sull’accelerometro MEMS 30 e diretta lungo l’asse di rilevamento S, come descritto in dettaglio in seguito.
In figura 2, la seconda massa inerziale 34 è inoltre attraversata per il suo intero spessore da una pluralità di fori 47 che consentono, durante il procedimento di fabbricazione, il rilascio della seconda massa inerziale 34, in modo di per sé noto. Analogamente, la prima massa inerziale 33 può essere attraversata da analoghi fori passanti.
L’accelerometro MEMS 30 comprende inoltre una struttura di arresto qui formata da un primo e da un secondo elemento di arresto 50, 51, ad esempio di materiale semiconduttore quale silicio, e formati da regioni fisse, solidali alla struttura fissa 41, ad esempio estendentisi dal substrato (non mostrato) a distanza dalla prima massa inerziale 33. In particolare, nell'esempio di realizzazione mostrato, gli elementi di arresto 50, 51 sono disposti tra la prima e la seconda massa inerziale 33, 34, affacciati ad una seconda parete esterna 33D di questa, disposta su un lato della prima massa inerziale 33 opposto al lato della prima parete esterna 33C. Inoltre, nell'esempio di realizzazione mostrato in figura 2, il primo e il secondo elemento di arresto 50, 51 sono affacciati a rispettive porzioni periferiche della seconda parete esterna 33D della prima massa inerziale 33 e, in condizione di riposo della prima massa inerziale 33, sono posti ad una stessa prima distanza di arresto ds’ dalla seconda parete esterna 33D della prima massa inerziale 33.
L’accelerometro MEMS 30 comprende inoltre un terzo elemento di arresto 42, disposto ad una rispettiva seconda distanza di arresto ds” dalla seconda massa inerziale 34 quando quest’ultima è in condizione di riposo (figura 2). In particolare, la seconda distanza di arresto ds” è maggiore rispetto alla prima distanza di arresto ds’ e preferibilmente maggiore rispetto al massimo movimento di traslazione della seconda massa inerziale 34 durante il funzionamento atteso statisticamente dell'accelerometro MEMS 30, come chiarito in seguito.
In uso, le massa inerziale 33 e gli elettrodi 43, 45 sono polarizzati a rispettive tensioni di polarizzazione, che risultano, ad esempio, in un valore efficace tra la massa inerziale 33 e gli elettrodi 43, 45 di circa 1 V. Per effetto della polarizzazione, la prima massa inerziale 33 è soggetta ad una forza elettrostatica totale Fel’, data dalla somma di una prima e di una seconda forza elettrostatica Fel1’, Fel2’. In dettaglio, la prima forza elettrostatica Fel1’ agisce tra il primo elettrodo 43 e la prima superficie 33A e la seconda forza elettrostatica Fel2’ agisce tra il secondo elettrodo 45 e la seconda superficie 33B.
L'accelerometro MEMS 30 è progettato in modo che, in condizione di riposo (figura 2), la prima e la seconda distanza d1’, d2’ sono fra loro uguali, così come la prima e la seconda capacità C1’, C2’; pertanto, la prima e la seconda forza elettrostatica Fel1’, Fel2’ sono uguali fra loro e la forza elettrostatica totale Fel’ è nulla.
Quando la struttura fissa 41 dell’accelerometro MEMS 30 è sottoposta ad un’accelerazione esterna aext diretta lungo l’asse di rilevamento S (ad esempio, verso il basso nel piano di disegno), la prima e la seconda massa inerziale 33, 34 si spostano in direzione opposta (ad esempio, verso l’alto nel piano di disegno), provocando l’allungamento del primo elemento a molla 37.
In questa fase, la seconda massa inerziale 34 e il secondo elemento a molla 38 traslano solidalmente con la prima massa inerziale 33; infatti, data la maggiore rigidezza del secondo elemento a molla 38 rispetto al primo elemento a molla 37, nella prima parte del movimento dell'accelerometro MEMS 30, il secondo elemento a molla 38 rimane sostanzialmente indeformato.
Conseguentemente, e analogamente a quanto descritto con riferimento alla figura 1B, le distanze d1’, d2’ fra la prima massa inerziale 33 e gli elettrodi 43, 45 (e, quindi, le capacità C1’, C2’) variano. Nell'esempio considerato, la prima distanza d1’ diminuisce e la seconda distanza d2’ aumenta; quindi, in questa fase, la prima capacità C1’ aumenta e la seconda capacità C2’ diminuisce.
L’allungamento dell’elemento a molla 37 e la traslazione della prima massa inerziale 33 sono interrotte nel momento in cui la prima massa inerziale 33 va in battuta contro gli elementi di arresto 50, 51, ovvero quando la prima massa inerziale 33 ha percorso una distanza pari alla prima distanza di arresto ds’. Tale condizione è rappresentata in figura 3 che mostra, lungo il primo asse cartesiano Y, sia le posizioni di riposo d0’, d0” dei baricentri O' e O″ della prima e della seconda massa inerziale 33, 34 sia le posizioni dT' e dT″ degli stessi baricentri O' e O″ nel momento dell'arresto della prima massa inerziale 33 contro gli elementi di arresto 50, 51.
In particolare, in questa condizione, dT' costituisce una prima posizione traslata della prima massa inerziale 33, con una dT' = d0’+ds’. Pertanto, la distanza tra il primo elettrodo 43 e la prima superficie interna 33A è pari a d1’-ds’ e la distanza tra il secondo elettrodo 45 e la seconda superficie interna 33B è pari a d2’+ds’; conseguentemente, la prima e la seconda capacità C1’, C2’, nonché le rispettive prima e seconda forza elettrostatica Fel1’, Fel2’, non sono più uguali.
Di conseguenza, la prima massa inerziale 33 è soggetta ad una forza elettrostatica totale Fel’ definita secondo l’equazione 1 in modo analogo alla forza elettrostatica totale Fel dell’accelerometro MEMS 1 delle figure 1A-1B.
Successivamente, figura 4, poiché l’accelerazione esterna aext agisce ancora sull’accelerometro MEMS 30, la prima massa inerziale 33 è in battuta contro gli elementi di arresto 50, 51e la seconda massa inerziale 34 è libera di muoversi, quest'ultima prosegue il suo movimento e il secondo elemento a molla 38 si allunga fino a quando la struttura formata dalla prima e dalla seconda massa inerziale 33, 34 raggiunge un equilibrio, dipendente dai parametri geometrici (posizione del terzo elemento di arresto 42, rigidezza del secondo elemento a molla 38) e dell'ampiezza della accelerazione esterna aext, arrestandosi generalmente prima del terzo elemento di arresto 42. All’equilibrio, il baricentro O″ della seconda massa inerziale 34 si porta in una posizione traslata finale a distanza dE″ = dT″+dx″ dal centro del sistema cartesiano XYZ, in cui dx″ è distanza percorsa dalla seconda massa inerziale 34 dopo che la prima massa inerziale 33 si è portata in battuta contro gli elementi di arresto 50, 51.
Quando termina l’accelerazione esterna aext (ovvero, aext = 0), le forze di richiamo del primo e del secondo elemento a molla 37, 38 agiscono per riportare la prima e la seconda massa inerziale 33, 34 nelle rispettive posizioni di riposo d0’, d0” di figura 2. In particolare, gli elementi a molla 37, 38 sono soggetti a rispettive forze di richiamo elastico Fm1, Fm2 agenti lungo l’asse di rilevamento S, in verso opposto rispetto al verso di allungamento precedente (ad esempio, verso il basso nel piano del disegno).
Con l'accelerometro MEMS 30 delle figure 2-4, qualora la prima massa inerziale 33 sia soggetta ad una forza di adesione Fa’ tale da mantenerla in contatto con i rispettivi elementi di arresto 50, 51, la seconda massa 34 (che non è in battuta contro il terzo elemento di arresto 42) agisce in modo da staccarla da questi. Infatti, la seconda massa inerziale 34 e il secondo elemento a molla 38 costituiscono un sistema dinamico ad un grado di libertà sottoposto ad un gradino di accelerazione e, quando l’accelerazione esterna aext si annulla, la seconda massa inerziale 34 viene richiamata verso la sua posizione iniziale di equilibrio per effetto dell’energia potenziale elastica immagazzinata nel secondo elemento a molla 38 (figura 5).
Il movimento di ritorno del secondo elemento a molla 38 e, quindi, della seconda massa inerziale 34 fornisce una spinta ″all'indietro″ (verso il basso nel piano di disegno) alla prima massa sospesa 33, che si somma alla forza elastica di richiamo Fm1 del primo elemento a molla 37 in modo da superare la forza elettrostatica totale Fel’ ed eventuali forze di adesione Fa’ agenti sulla prima massa sospesa 33, staccandola dagli elementi di arresto 50, 51. L'accelerometro MEMS 30 può quindi riportarsi nella posizione iniziale di riposo di figura 2.
Un sistema di elaborazione non mostrato, accoppiato agli elettrodi 43, 45 e alla prima massa inerziale 33 è quindi in grado di rilevare le variazioni di capacità C1’, C2’ e calcolare da queste il valore della accelerazione esterna aext (nei limiti del valore di fondo scala dell’accelerometro MEMS 30), in modo analogo agli acceleratori MEMS noti.
La figura 6 mostra un’implementazione del presente accelerometro MEMS. In dettaglio, parti simili a quelle mostrate e descritte con riferimento alle figure 2-5 sono indicate in figura 6 con gli stessi numeri di riferimento. In particolare, la prima massa inerziale 34 ha ancora forma a cornice rettangolare, presentante due lati lunghi 34A, 34B e due lati corti 34C e 34D. Bracci intermedi 60 si estendono dai due lati lunghi 34A, 34B verso il centro dell'apertura 39 e sono diretti in direzione perpendicolare a quella di spostamento S (quindi, parallelamente al secondo asse cartesiano X).
Gli elettrodi 43, 45 di figura 2 sono formati qui da una pluralità di regioni (indicate nel seguito come prime regioni di elettrodo 43’ e seconde regioni di elettrodo 45’) disposte parallelamente fra loro, a coppie. In particolare, ciascuna coppia di regioni, formata da una prima regione di elettrodo 43' e da una seconda regione di elettrodo 45', è disposta fra due bracci intermedi 60 adiacenti.
Nella forma di realizzazione mostrata, i bracci intermedi 60 hanno lunghezza poco inferiore a metà della larghezza (in direzione parallela al secondo asse cartesiano X) dell'apertura 39. Una coppia di prime molle 37A, 37B forma il primo elemento a molla 37 di figura 2; le prime molle 37A, 37B si estendono da rispettivi lato corti 34C, 34D della prima massa inerziale 33 verso l'interno della apertura 39 e si raccordano a bracci trasversali 61 estendentisi anch'essi all'interno dell'apertura 39 in posizione centrale e in direzione parallela a quella di spostamento S (quindi, parallelamente al primo asse cartesiano Y). I bracci trasversali 61 sono dotati di rispettive porzioni di ancoraggio 61A, solidali alla struttura fissa (non mostrata).
Inoltre, nell'accelerometro MEMS 30 di figura 6, la seconda massa inerziale 34 ha anch'essa forma a cornice e circonda la prima massa inerziale 33. Qui, il secondo elemento a molla 38 di figura 2 è formato da quattro seconde molle, indicate ancora con 38, con andamento lineare ed estendentisi dagli spigoli della forma a cornice della prima massa inerziale 33.
Una coppia di elementi di arresto 65 si estende fra la prima e la seconda massa inerziale 33, 34; in particolare, ciascun elemento di arresto 65 ha una prima faccia 65A rivolta verso la prima massa inerziale 33 e posta (in condizione di riposo dell'accelerometro MEMS 30) alla prima distanza di arresto ds' da questa e una seconda faccia 65B rivolta verso la seconda massa inerziale 34 e posta (in condizione di riposo dell'accelerometro MEMS 30) alla seconda distanza di arresto ds″ da questa. Come si nota, la prima distanza di arresto ds' fra la prima massa inerziale 33 e la prima faccia 65A è minore della seconda distanza di arresto ds″, fra la seconda massa inerziale 34 e la seconda faccia 65B, in modo che, indipendentemente dalla direzione di spostamento S (a destra o a sinistra nel disegno di figura 6) dapprima la prima massa inerziale 33 va in battuta contro la prima faccia 65A di uno dei due elementi di arresto 65 e solo successivamente la seconda massa inerziale 34 va in battuta contro la seconda faccia 65B dell'altro elemento di arresto 65.
La figura 7 mostra un apparecchio elettronico 140 comprendente l’accelerometro MEMS 30 delle figure 2-7.
L’accelerometro MEMS 30 è collegato ad un circuito ASIC 143 che realizza la relativa interfaccia di lettura; il circuito ASIC 143 può essere realizzato nella stessa piastrina (“die”) in cui è fabbricato l’accelerometro MEMS 30. In ulteriori forme di realizzazione, il circuito ASIC 143 è realizzato in una piastrina separata e alloggiato nel medesimo incapsulamento dell’accelerometro MEMS 30.
L’apparecchio elettronico 140 è, ad esempio, un apparecchio portatile di comunicazione mobile, come ad esempio un telefono cellulare, un PDA (“Personal Digital Assistant”), un computer portatile, un riproduttore di audio digitale con capacità di registrazione vocale, una foto- o video-camera, oppure un controller per videogiochi; in dettaglio, l’apparecchio elettronico 140 è generalmente in grado di elaborare, memorizzare e/o trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.
L’apparecchio elettronico 140 comprende inoltre un microprocessore 144, che riceve i segnali di accelerazione rilevati dall’accelerometro MEMS 30, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 145, ad esempio dotata di una tastiera e di un video, collegata al microprocessore 144. Inoltre, l’apparecchio elettronico 140 comprende qui un altoparlante 147, per generare suoni su un’uscita audio (non mostrata), ed una memoria interna 148.
Il presente sensore inerziale MEMS ha diversi vantaggi. In particolare, l'eventuale adesione Fa’ della prima massa inerziale 33 è superata grazie all'azione di spinta elastica esercitata dalla seconda massa inerziale 34 durante il moto di ritorno di questa in posizione di riposo senza dover modificare in modo sostanziale i parametri costruttivi ed elettromeccanici principali dell’accelerometro MEMS 30 che ne determinano le prestazioni. In questo modo, l'accelerometro 30 presenta sensibilità, frequenza di risonanza, linearità e accuratezza simili a quelle ottenibili da un accelerometro noto simile di pari massa, evitando i guasti dovuti all’adesione della prima massa inerziale 33 agli elementi di arresto 50, 51.
Inoltre, il fondo scala della seconda massa inerziale 34 può essere definito in modo indipendente dal fondo scala dalla prima massa inerziale 33; conseguentemente, è possibile impostare il fondo scala della seconda massa inerziale 34 in modo tale che sia grande a sufficienza da evitare il contatto della seconda massa inerziale 34 con il terzo elemento di arresto 42 per la maggior parte di profili di urto (“shock”) a cui la seconda massa inerziale 34 può essere statisticamente sottoposta nella vita operativa dell’accelerometro MEMS 30.
Risulta infine chiaro che al sensore inerziale MEMS qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, il presente sensore inerziale può essere di tipo diverso, quale un giroscopio, un inclinometro oppure un vibrometro.
Inoltre, la seconda massa inerziale 34 può avere massa m2 inferiore rispetto alla massa m1 della prima massa inerziale 33.
In aggiunta, come mostrato nelle figure 8 e 9, la prima e la seconda massa inerziale 33, 34 possono essere suddivise in una rispettiva pluralità di sottomasse connesse tramite rispettive pluralità di elementi elastici.
In maggior dettaglio, la figura 8 mostra un accelerometro MEMS 130 avente una struttura generale simile a quella dell'accelerometro MEMS 30 mostrato nelle figure 2-5, per cui parti simili a quelle mostrate e descritte con riferimento alle figure 2-5 sono indicate nella figura 8 con i medesimi numeri di riferimento e non verranno descritte ulteriormente.
In particolare, l’accelerometro MEMS 130 comprende una prima ed una seconda sottomassa 134, 234, aventi una struttura generale simile alla seconda massa inerziale 34 delle figure 2-5 e masse la cui somma è pari alla seconda massa m2 della seconda massa inerziale 34 delle figure 2-5.
Inoltre, l’accelerometro MEMS 130 comprende un terzo ed un quarto elemento elastico 138, 238 che accoppiano elasticamente la prima e, rispettivamente, la seconda sottomassa 134, 234 alla prima massa inerziale 33. Il terzo ed il quarto elemento elastico 138, 238 hanno una struttura simile al secondo elemento elastico 38 delle figure 2-5 e costanti elastiche la cui somma è pari alla seconda costante elastica k2 del secondo elemento elastico 38.
In uso, l’accelerometro MEMS 130 opera in modo analogo all’accelerometro MEMS 30 delle figure 2-5.
La figura 9 mostra un accelerometro MEMS 330 avente una struttura generale simile all’attuatore MEMS 30 delle figure 2-5, in cui la prima e la seconda massa inerziale 33, 34 sono suddivise in rispettive prime e seconde sottomasse 333, 433, 334, 434, aventi una struttura generale simile alla prima e, rispettivamente, alla seconda massa inerziale 33, 34 delle figure 2-5. L’accelerometro MEMS 330 comprende inoltre primi e secondi ulteriori elementi di arresto 350, 351, 450, 451, aventi una struttura generale simile al primo e al secondo elemento di arresto 50, 51 delle figure 2-5 ed interposti tra le prime sottomasse 333, 334 della prima e della seconda massa inerziale 33, 34 e, rispettivamente, le seconde sottomasse 433, 434 della prima e della seconda massa inerziale 34.
La prima e la seconda sottomassa 333, 433 della prima massa inerziale 33 hanno masse la cui somma è uguale alla prima massa m1 della prima massa inerziale 33 delle figure 2-5 e sono vincolate all’elemento di vincolo 335 mediante elementi elastici 337, 437, aventi costanti elastiche la cui somma è pari alla prima costante elastica k1 del primo elemento elastico 37 delle figure 2-5.
La prima e la seconda sottomassa 334, 434 della seconda massa inerziale 34 hanno rispettivamente una struttura generale simile alla prima e alla seconda sottomassa 134, 234 della seconda massa inerziale 34 di figura 8 e sono collegate alla prima e, rispettivamente, alla seconda sottomassa 333, 433 della prima massa inerziale 33 mediante rispettivi elementi elastici 338, 438, aventi una struttura generale simile al terzo e al quarto elemento elastico 138, 238 di figura 8.
In uso, l’accelerometro MEMS 330 opera in modo analogo all’accelerometro MEMS 30 delle figure 2-5.
In aggiunta, il numero di sottomasse in cui la prima e la seconda massa inerziale 33, 34 possono essere suddivise può essere maggiore di due.
Inoltre, le diverse forme di realizzazione descritte possono essere combinate in modo da fornire ulteriori soluzioni.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore inerziale MEMS (30) comprendente: una struttura di supporto (41, 35; 61, 61A; 335); una struttura inerziale (33, 34; 134, 234; 333, 433, 334, 434) avente un’estensione principale in un piano (XY); e una prima struttura elastica (37; 37A, 37B; 337, 437) accoppiante elasticamente la struttura inerziale alla struttura di supporto e configurata per consentire un movimento della struttura inerziale lungo un asse di rilevamento (S) giacente sul piano in funzione di una grandezza da rilevare (aext); in cui la struttura inerziale comprende: una prima massa inerziale (33; 333, 433) di materiale semiconduttore; una seconda massa inerziale (34;134, 234; 334, 434) di materiale semiconduttore; una seconda struttura elastica (38; 138, 238; 338, 438) accoppiante elasticamente la prima e la seconda massa inerziale e configurata per consentire un movimento della seconda massa inerziale lungo l'asse di rilevamento (S); e una struttura di arresto (50, 51; 65; 350, 351, 450, 451) affacciata alla prima massa inerziale, in cui la prima struttura elastica ha una prima costante elastica (k1) e la seconda struttura elastica (38; 138, 238; 338, 438) ha una seconda costante elastica (k2), la prima costante elastica essendo minore della seconda costante elastica in modo tale per cui, in presenza della grandezza da rilevare, la struttura inerziale si muove nella direzione di rilevamento fino all'arresto della prima massa inerziale contro la struttura di arresto e la seconda massa elastica può muoversi ulteriormente nella direzione di rilevamento e, al termine della grandezza da rilevare, la seconda massa inerziale si muove in direzione opposta alla direzione di rilevamento e distacca la prima massa inerziale dalla struttura di arresto.
  2. 2. Sensore inerziale MEMS secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre almeno un elettrodo (43, 45; 343, 345, 443, 445) capacitivamente accoppiato alla prima massa inerziale (33; 333, 433) e formante con questa almeno un condensatore (C1, C2) avente capacità indicativa della grandezza da rilevare (aext).
  3. 3. Sensore inerziale MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui la prima massa inerziale (33; 333, 433) ha forma a cornice e presenta un’apertura (39; 339, 439) circondante l’almeno un elettrodo (43, 45; 343, 345, 443, 445).
  4. 4. Sensore inerziale MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-2, in cui la prima massa inerziale (33) e la seconda massa inerziale (34) hanno forme a cornice e la seconda massa inerziale circonda la prima massa inerziale.
  5. 5. Sensore inerziale MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui le forme a cornice comprendono una prima e una seconda cornice (33, 34), la prima e la seconda cornice essendo generalmente rettangolari, la prima cornice avendo un primo (34C, 34D) e un secondo lato fra loro paralleli e opposti e la seconda cornice avendo un primo e un secondo lato fra loro opposti e paralleli fra loro e al primo e al secondo lato della prima cornice, e in cui la prima struttura elastica (37) comprende un primo ed un secondo elemento a molla (37A, 37B) con forma ripiegata estendentisi fra la struttura di supporto (61, 61A) ed il primo e, rispettivamente, il secondo lato della forma a cornice della prima massa inerziale (33), e la seconda struttura elastica (38) comprende almeno un terzo e un quarto elemento a molla (38) aventi forma allungata, il terzo elemento a molla estendendosi fra il primo lato della prima cornice (33) ed il primo lato della seconda cornice e il quarto elemento a molla estendendosi fra il secondo lato della prima cornice (33) ed il secondo lato della seconda cornice.
  6. 6. Sensore inerziale MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui la seconda struttura elastica (38) comprende inoltre un quinto e un sesto elemento a molla (38) aventi forma allungata, il terzo, quarto, quinto e sesto elemento a molla (38) della seconda struttura elastica estendendosi da un rispettivo spigolo della prima forma a cornice ed una porzione centrale del primo e del secondo lato della seconda forma a cornice (34).
  7. 7. Sensore inerziale MEMS secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui la struttura di arresto (65) comprende un primo ed un secondo elemento di arresto, il primo elemento di arresto essendo disposto fra i primi lati della prima (34D, 34C) e della seconda cornice e il secondo elemento di arresto essendo disposto fra i secondi lati della prima e della seconda cornice, il primo e il secondo elemento di arresto avendo una rispettiva prima faccia disposta ad un prima distanza (ds’) dalla prima massa inerziale (33) ed una seconda distanza (ds”), maggiore della prima distanza, dalla seconda massa inerziale.
  8. 8. Sensore inerziale MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la seconda massa inerziale (34) è suddivisa in una pluralità di prime sottomasse (134, 234; 334, 434), elasticamente accoppiate alla prima massa inerziale mediante rispettive strutture elastiche (138, 238; 338, 438).
  9. 9. Sensore inerziale MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima massa inerziale (33) è suddivisa in una pluralità di seconde sottomasse (333, 433) accoppiate elasticamente alla struttura di supporto (335) mediante rispettive strutture elastiche (337, 437).
  10. 10. Sensore inerziale MEMS secondo le rivendicazioni 8 e 9, in cui la pluralità di prime (134, 234; 334, 434) e seconde sottomasse (333, 433) comprendono rispettive prime (134; 333, 334) e seconde sottomasse (238; 433, 434).
  11. 11. Sensore inerziale MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sensore inerziale MEMS (30) è un accelerometro MEMS (30) atto a rilevare un’accelerazione (aext) diretta lungo l’asse di rilevamento (S).
  12. 12. Dispositivo elettronico (140) comprendente: l’accelerometro MEMS (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; un ASIC (143), accoppiato al trasduttore di tipo MEMS; un microprocessore (144), accoppiato all’ASIC; una memoria (148), accoppiata al microprocessore; e un’unità di ingresso/uscita (145), accoppiata al microprocessore.
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