IT202100013106A1 - Dispositivo microelettromeccanico di specchio ad attuazione piezoelettrica e rilevamento piezoresistivo con proprieta' di auto-calibrazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO DI SPECCHIO AD ATTUAZIONE PIEZOELETTRICA E RILEVAMENTO PIEZORESISTIVO CON PROPRIET? DI AUTO-CALIBRAZIONE?

La presente soluzione ? relativa ad un dispositivo microelettromeccanico di specchio (realizzato in tecnologia MEMS - Micro-Electro-Mechanical System) ad attuazione piezoelettrica e rilevamento piezoresistivo, con propriet? di auto-calibrazione.

In modo noto, dispositivi microelettromeccanici di specchio vengono utilizzati in apparecchi portatili, quali ad esempio smartphone, tablet, notebook, PDA, per applicazioni ottiche, in particolare per indirizzare con modalit? desiderate fasci di radiazioni luminose generati da una sorgente di luce (ad esempio laser). Grazie alle ridotte dimensioni, tali dispositivi consentono di rispettare requisiti stringenti per quanto riguarda l?occupazione di spazio, in termini di area e spessore.

Ad esempio, dispositivi microelettromeccanici di specchio vengono utilizzati in apparecchi optoelettronici, quali proiettori miniaturizzati (cosiddetti picoproiettori), in grado di proiettare a distanza immagini e di generare pattern di luce desiderati.

I dispositivi microelettromeccanici di specchio includono generalmente una struttura orientabile che porta una opportuna superficie riflettente (o di specchio), supportata elasticamente al di sopra di una cavit? e realizzata a partire da un corpo di materiale semiconduttore in modo tale da risultare mobile, ad esempio con movimento di inclinazione o rotazione al di fuori di un relativo piano di estensione principale, per indirizzare in maniera desiderata il fascio luminoso incidente.

La rotazione del dispositivo di specchio viene comandata tramite un sistema di attuazione che pu? essere ad esempio di tipo elettrostatico, elettromagnetico o piezoelettrico.

Sistemi di attuazione elettrostatica hanno in generale lo svantaggio di richiedere elevate tensioni operative, mentre sistemi di attuazione elettromagnetica comportano in generale un elevato consumo di potenza; ? stato dunque proposto di comandare il movimento della struttura orientabile di specchio con modalit? piezoelettrica.

I dispositivi di specchio con attuazione piezoelettrica presentano il vantaggio di richiedere tensioni di attuazione e consumi di potenza ridotti rispetto a dispositivi con attuazione elettrostatica o elettromagnetica.

Inoltre, ? possibile sfruttare l?effetto piezoelettrico inverso per realizzare elementi sensori piezoresistivi (PZR) atti a rilevare la condizione di azionamento dello specchio (in termini dello stress applicato o dello spostamento o posizione assunti) e a fornire un segnale di feedback per consentire un controllo in retroazione dello stesso azionamento.

Tali elementi sensori piezoresistivi richiedono tuttavia una calibrazione dedicata, al fine di conoscere con precisione la relativa sensibilit? al rilevamento (sensitivity), e dunque la sensibilit? dello specchio, e poter cos? avere un?informazione accurata sullo spostamento dello specchio stesso per realizzarne il controllo desiderato.

La presente Richiedente ha constatato che soluzioni note per la calibrazione dei suddetti elementi sensori piezoresistivi presentano alcune limitazioni.

Soluzioni note prevedono un complesso set-up di calibrazione comprendente, ad esempio: un?unit? di azionamento per comandare l?azionamento dello specchio; una sorgente laser per indirizzare un fascio luminoso sullo specchio; uno schermo di proiezione sul quale lo specchio proietta un pattern luminoso per effetto della riflessione del fascio laser e del suo movimento di azionamento; una telecamera per rilevare l?angolo di apertura (ovvero, l?entit? della rotazione al di fuori del piano orizzontale) dello specchio a partire dall?analisi del pattern luminoso proiettato; ed un oscilloscopio (o analogo strumento di misura) per acquisire i segnali di rilevamento forniti dagli elementi sensori piezoresistivi.

Un?unit? di elaborazione ? quindi configurata per elaborare in maniera congiunta le informazioni ricavate dall?analisi delle immagini acquisite dalla telecamera e le informazioni ricavate dai segnali rilevati dagli elementi piezoresistivi, al fine di ottenere informazioni per la calibrazione degli stessi elementi piezoresistivi (in particolare per determinare la relativa sensibilit? di rilevamento).

Le operazioni di calibrazione risultano pertanto particolarmente onerose, dal punto di vista dei tempi e delle risorse economiche richieste e mal si adattano a procedimenti di fabbricazione su larga scala.

Scopo della presente soluzione ? dunque quello di fornire un dispositivo microelettromeccanico di specchio che consenta di superare le problematiche di calibrazione precedentemente evidenziate, essendo in particolare dotato di propriet? di auto-calibrazione.

Secondo la presente soluzione viene realizzato un dispositivo microelettromeccanico di specchio, 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 in pianta di un dispositivo microelettromeccanico di specchio, secondo un aspetto della presente soluzione;

- la Figura 1B ? una vista in sezione schematica e semplificata presa lungo la linea di sezione I-I del dispositivo di specchio di Figura 1A;

- la Figura 2A mostra una porzione ingrandita del dispositivo di Figura 1A, in vista in pianta, includente una struttura di test secondo una prima forma di realizzazione della presente soluzione;

- la Figura 2B mostra una vista prospettica semplificata di parte della struttura di test di Figura 2A;

- la Figura 3 mostra una vista schematica in pianta del dispositivo microelettromeccanico di specchio, secondo una variante della presente soluzione;

- la Figura 4 mostra un grafico relativo a grandezze di calibrazione associate alla struttura di test;

- la Figura 5 mostra una porzione ingrandita del dispositivo di Figura 1A, relativa ad un sensore piezoresistivo, secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione;

- la Figura 6A mostra una vista schematica in pianta di un dispositivo microelettromeccanico di specchio, secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione;

- la Figura 6B ? una vista schematica dal retro del dispositivo di specchio di Figura 6A;

- le Figure 7A, 7B mostrano, rispettivamente in vista in pianta dal fronte e dal retro, una porzione ingrandita del dispositivo di Figura 6A, includente una struttura di test in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente soluzione; e

- la Figura 8 ? uno schema a blocchi di massima di un apparecchio optoelettronico, ad esempio un picoproiettore, utilizzante il dispositivo microelettronico di specchio.

La Figura 1A illustra schematicamente un dispositivo microelettromeccanico di specchio, basato su tecnologia MEMS, indicato in generale con 1; tale dispositivo presenta in generale la struttura descritta nella domanda di brevetto europeo EP 3666 727 A1 a nome della stessa Richiedente.

Il dispositivo microelettromeccanico 1 ? formato in una piastrina (?die?) 1' di materiale semiconduttore, in particolare silicio, ed ? dotato di una struttura orientabile 2, avente estensione principale in un piano orizzontale xy e disposta in modo da ruotare intorno ad un asse di rotazione, parallelo ad un primo asse orizzontale x del suddetto piano orizzontale xy.

Il suddetto asse di rotazione rappresenta un primo asse mediano di simmetria X per il dispositivo microelettromeccanico 1; un secondo asse mediano di simmetria Y per lo stesso dispositivo microelettromeccanico 1 ? parallelo ad un secondo asse orizzontale y, ortogonale al primo asse orizzontale x e definente, con lo stesso primo asse orizzontale x il piano orizzontale xy.

La struttura orientabile 2 ? sospesa al di sopra di una cavit? 3, realizzata nella piastrina 1' e definisce una struttura portante, che porta superiormente una regione riflettente 2' (ad esempio di alluminio, oppure oro, a seconda che la proiezione sia nel visibile o nell?infrarosso), in modo da definire una struttura di specchio.

La struttura orientabile 2 ? accoppiata elasticamente ad una struttura fissa 4, definita nella stessa piastrina 1'. In particolare, la struttura fissa 4 forma, nel piano orizzontale xy, una cornice 4' che delimita e circonda la suddetta cavit? 3 e presenta inoltre un primo ed un secondo elemento di supporto (o di ancoraggio) 5a, 5b, estendentisi longitudinalmente lungo il primo asse mediano di simmetria X all?interno della cavit? 3 a partire dalla stessa cornice 4', da parti opposte della struttura orientabile 2 (lungo il primo asse orizzontale x).

La struttura orientabile 2 ? supportata dal primo e dal secondo elemento di supporto 5a, 5b, a cui ? accoppiata elasticamente rispettivamente mediante un primo ed un secondo elemento elastico di sospensione 6a, 6b, aventi una elevata rigidit? rispetto a movimenti fuori dal piano orizzontale xy (lungo un asse ortogonale z, trasversale a tale piano orizzontale xy) e cedevoli rispetto alla torsione intorno al primo asse orizzontale x. Il primo ed il secondo elemento elastico di sospensione 6a, 6b si estendono complessivamente lungo il primo asse mediano di simmetria X, tra il primo, rispettivamente il secondo elemento di supporto 5a, 5b ed un lato affacciato della struttura orientabile 2, a cui sono accoppiati in corrispondenza di una relativa porzione centrale. Nella forma di realizzazione illustrata, il primo ed il secondo elemento elastico di sospensione 6a, 6b sono di tipo lineare.

Il primo ed il secondo elemento elastico di sospensione 6a, 6b accoppiano la struttura orientabile 2 alla struttura fissa 4, consentendone la rotazione intorno al primo asse di rotazione e fornendo una elevata rigidezza rispetto ai movimenti fuori dal piano, garantendo dunque un elevato rapporto tra le frequenze di movimenti spuri fuori dal piano orizzontale xy e la frequenza della rotazione intorno al primo asse di rotazione.

Il dispositivo microelettromeccanico 1 comprende inoltre una struttura di attuazione 10, accoppiata alla struttura orientabile 2 e configurata in modo da causarne la rotazione intorno al primo asse di rotazione; la struttura di attuazione 10 ? interposta tra la struttura orientabile 2 e la struttura fissa 4 e contribuisce inoltre a supportare la struttura orientabile 2 al di sopra della cavit? 3.

Tale struttura di attuazione 10 comprende una prima coppia di bracci di azionamento formata da un primo e da un secondo braccio di azionamento 12a, 12b, disposti da parte opposta del, e simmetricamente rispetto al, primo asse mediano di simmetria X e primo elemento di supporto 5a, ed aventi estensione longitudinale parallela al primo asse orizzontale x ed al suddetto primo elemento di supporto 5a.

Nella forma di realizzazione illustrata in Figura 1, i bracci di azionamento 12a, 12b presentano una forma genericamente trapezoidale (o ?a pinna?), con il lato maggiore diretto parallelamente al secondo asse orizzontale y accoppiato solidalmente alla cornice 4' della struttura fissa 4 ed il lato minore diretto parallelamente allo stesso secondo asse orizzontale y accoppiato elasticamente alla struttura orientabile 2. Ciascun braccio di azionamento 12a, 12b presenta quindi una rispettiva prima estremit? accoppiata solidalmente alla cornice 4? della struttura fissa 4 ed una rispettiva seconda estremit? accoppiata elasticamente alla struttura orientabile 2, mediante un rispettivo primo e secondo elemento elastico di disaccoppiamento 14a, 14b.

Ciascun braccio di azionamento 12a, 12b ? sospeso al di sopra della cavit? 3 e porta, in corrispondenza di una sua superficie superiore (opposta alla stessa cavit? 3) una rispettiva struttura piezoelettrica 13 (in particolare includente PZT ? Piombo Zirconato di Titanio), avente ad esempio sostanzialmente la stessa estensione nel piano orizzontale xy rispetto al braccio di azionamento 12a, 12b.

Tale struttura piezoelettrica 13 (in maniera non illustrata in dettaglio) ? formata dalla sovrapposizione di una regione di elettrodo inferiore, di un opportuno materiale conduttivo, disposta al di sopra del relativo braccio di azionamento 12a, 12b; di una regione di materiale piezoelettrico (ad esempio costituita da un film sottile di PZT) disposta sulla suddetta regione di elettrodo inferiore; e di una regione di elettrodo superiore disposta sulla regione di materiale piezoelettrico.

I suddetti primo e secondo elemento elastico di disaccoppiamento 14a, 14b presentano una elevata rigidezza rispetto a movimenti fuori dal piano orizzontale xy (lungo l?asse ortogonale z) e sono cedevoli rispetto alla torsione (intorno ad un asse di rotazione parallelo al primo asse orizzontale x). Il primo ed il secondo elemento elastico di disaccoppiamento 14a, 14b si estendono parallelamente al primo asse orizzontale x, tra il primo, rispettivamente il secondo braccio di azionamento 12a, 12b ed uno stesso lato affacciato della struttura orientabile 2.

Il primo ed il secondo elemento elastico di disaccoppiamento 14a, 14b sono accoppiati alla struttura orientabile 2 in corrispondenza di un rispettivo punto di accoppiamento Pa, Pb, che si trova in prossimit? del primo asse mediano di simmetria X, ad una ridotta distanza dallo stesso primo asse mediano di simmetria X. Ad esempio, tale distanza pu? essere compresa tra 10 ?m e 1500 ?m in una tipica forma di realizzazione e pu? inoltre essere in generale compresa tra 1/10 e 1/2 della dimensione principale (nell?esempio lungo il secondo asse mediano di simmetria Y) della struttura orientabile 2.

In ogni caso, la distanza tra il rispettivo punto di accoppiamento Pa, Pb ed il primo asse mediano di simmetria X ? preferibilmente minore, in particolare molto minore, rispetto alla distanza tra lo stesso punto di accoppiamento Pa, Pb e porzioni di estremit? o di bordo (considerate lungo il secondo asse mediano di simmetria Y) della struttura orientabile 2. Infatti, pi? tali punti di accoppiamento Pa, Pb sono vicini al primo asse di rotazione, maggiore ? il rapporto tra lo spostamento verticale dell?estremit? della struttura orientabile 2 e lo spostamento verticale dei bracci di azionamento 12a, 12b, per effetto piezoelettrico.

Nella forma di realizzazione illustrata in Figura 1A, il primo ed il secondo elemento elastico di disaccoppiamento 14a, 14b sono di tipo ripiegato (?folded?), ovvero sono formati da una pluralit? di bracci aventi estensione longitudinale parallela al primo asse orizzontale x, collegati a due a due da elementi di raccordo aventi estensione parallela al secondo asse orizzontale y (in una differente forma di realizzazione, gli elementi elastici di disaccoppiamento 14a, 14b possono alternativamente essere di tipo lineare).

La suddetta struttura di attuazione 10 comprende inoltre una seconda coppia di bracci di azionamento formata da un terzo e da un quarto braccio di azionamento 12c, 12d, disposti da parte opposta rispetto al primo asse mediano di simmetria X e, questa volta, del secondo elemento di supporto 5b ed aventi estensione longitudinale parallela al primo asse orizzontale x ed al suddetto secondo elemento di supporto 5b (si noti che la seconda coppia di bracci di azionamento 12c, 12d ? dunque disposta in maniera simmetrica alla prima coppia di bracci di azionamento 12a, 12b rispetto al secondo asse mediano di simmetria Y).

Analogamente a quanto discusso per la prima coppia di bracci di azionamento 12a, 12b, ciascun braccio di azionamento 12c, 12d della seconda coppia porta, in corrispondenza di una sua superficie superiore una rispettiva struttura piezoelettrica 13 (in particolare includente PZT ? Piombo Zirconato di Titanio) e presenta una rispettiva prima estremit? accoppiata solidalmente alla cornice 4? della struttura fissa 4 ed una rispettiva seconda estremit? accoppiata elasticamente alla struttura orientabile 2, mediante un rispettivo terzo e quarto elemento elastico di disaccoppiamento 14c, 14d (disposti da parte opposta del primo e secondo elemento elastico di disaccoppiamento 12a, 12b rispetto al secondo asse mediano di simmetria Y).

I suddetti terzo e quarto elemento elastico di disaccoppiamento 14c, 14d presentano anch?essi una elevata rigidezza rispetto a movimenti fuori dal piano orizzontale xy (lungo l?asse ortogonale z) e sono cedevoli rispetto alla torsione (intorno ad un asse di rotazione parallelo al primo asse orizzontale x).

Come del resto illustrato nella suddetta Figura 1A, anche il terzo ed il quarto elemento elastico di disaccoppiamento 14c, 14d sono dunque accoppiati alla struttura orientabile 2 in corrispondenza di un rispettivo punto di accoppiamento Pc, Pd, che si trova in prossimit? del primo asse di rotazione, alla ridotta distanza d dallo stesso primo asse di rotazione. Inoltre, anche il terzo ed il quarto elemento elastico di disaccoppiamento 14c, 14d sono di tipo ripiegato (?folded?).

Il dispositivo microelettromeccanico 1 comprende inoltre una pluralit? di piazzole (?pad?) di contatto elettrico 18, portate dalla struttura fissa 4 in corrispondenza della cornice 4?, collegate elettricamente (in maniera non illustrata in dettaglio nella stessa Figura 1) alle strutture piezoelettriche 13 dei bracci di azionamento 12a-12d mediante piste elettriche di collegamento, per consentirne la polarizzazione elettrica mediante segnali elettrici provenienti dall?esterno dello stesso dispositivo elettromeccanico 1 (ad esempio forniti da un dispositivo di polarizzazione di un apparecchio elettronico in cui il dispositivo elettromeccanico 1 ? integrato).

Durante il funzionamento del dispositivo microelettromeccanico 1, l?applicazione di una tensione di polarizzazione alla struttura piezoelettrica 13 del primo braccio di azionamento 12a (avente valore positivo rispetto alla polarizzazione della struttura piezoelettrica 13 del secondo braccio di azionamento 12b, che pu? ad esempio essere collegata ad un potenziale di riferimento di massa), causa una rotazione di un angolo positivo intorno al primo asse di rotazione (parallelo al primo asse orizzontale x).

In maniera corrispondente, l?applicazione di una tensione di polarizzazione alla struttura piezoelettrica 13 del secondo braccio di azionamento 12b (avente valore positivo rispetto alla polarizzazione della struttura piezoelettrica 13 del primo braccio di azionamento 12a, che pu? ad esempio essere in questo caso collegata ad un potenziale di riferimento di massa), causa una corrispondente rotazione di un angolo negativo intorno allo stesso primo asse di rotazione.

Si noti che la stessa tensione di polarizzazione pu? essere applicata alla struttura piezoelettrica 13 sia del primo braccio di azionamento 12a sia del terzo braccio di azionamento 12c, e, analogamente, per causare la rotazione opposta, alla struttura piezoelettrica 13 sia del secondo braccio di azionamento 12b sia del quarto braccio di azionamento 12d, in modo da contribuire in maniera corrispondente alla rotazione della struttura orientabile 2 intorno al primo asse di rotazione (come del resto risulter? evidente dalla descrizione precedente).

Gli elementi elastici di disaccoppiamento 14a-14d disaccoppiano elasticamente lo spostamento per effetto piezoelettrico dei bracci di azionamento 12a-12d lungo l?asse ortogonale z dalla conseguente rotazione della struttura orientabile 2 lungo il primo asse di rotazione.

In particolare, in virt? della prossimit? all?asse di rotazione dei punti di accoppiamento Pa-Pd tra gli stessi elementi elastici di disaccoppiamento 14a-14d e la struttura orientabile 2, ad un ridotto spostamento fuori del piano orizzontale xy dei suddetti bracci di azionamento 12a-12d corrisponde un elevato angolo di apertura (ovvero di rotazione della struttura orientabile 2 intorno al primo asse di rotazione), o, analogamente, un elevato spostamento fuori dal piano orizzontale xy delle porzioni di estremit? (considerate lungo il secondo asse orizzontale y) della stessa struttura orientabile 2; ad esempio, il rapporto tra l?entit? di tali spostamenti pu? essere pari a cinque in una possibile forma di realizzazione.

La struttura orientabile 2 pu? raggiungere in tal modo elevati angoli di apertura (ad esempio > 10?) a fronte di un ridotto valore della tensione di polarizzazione (ad esempio < 40 V).

La massima quantit? di stress si verifica negli elementi elastici di sospensione 6a, 6b, che accoppiano la struttura orientabile 2 alla struttura fissa 4.

La Figura 1B mostra una sezione trasversale schematica del dispositivo microelettromeccanico 1. In particolare, tale sezione (parallela al primo asse orizzontale x) evidenzia come lo spessore (lungo l?asse ortogonale z) degli elementi elastici di disaccoppiamento 14a-14d (e, in maniera non illustrata, anche degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b) sia uguale allo spessore dei bracci di azionamento 12a-12d e corrisponda inoltre allo spessore della struttura orientabile 2, ad esempio essendo pari a 20 ?m, tale spessore essendo richiamato in seguito come primo spessore (i suddetti elementi sono formati in sostanza sul fronte della piastrina 1').

Al di sotto della stessa struttura orientabile 2, ? accoppiata una struttura di rinforzo 21, avente funzione di rinforzo meccanico per la stessa struttura orientabile 2 (ed inoltre atta a garantirne la planarit?, ?flatness?, nel piano orizzontale xy, in condizioni di riposo), che presenta un secondo spessore lungo l?asse ortogonale z, maggiore del primo spessore, ad esempio essendo pari a 140 ?m; tale struttura di rinforzo 21 pu? avere una conformazione ad anello ed essere disposta in corrispondenza della periferia della struttura orientabile 2 (tale struttura di rinforzo 21 ? formata in sostanza sul retro della piastrina 1').

La struttura fissa 4 del dispositivo microelettromeccanico 2 (in particolare, la relativa cornice 4') presenta lungo l?asse ortogonale z uno spessore sostanzialmente pari alla somma dei suddetti primo e secondo spessore.

Come mostrato nella stessa Figura 1B, un corpo di base 19 ? inoltre accoppiato al di sotto della struttura fissa 4 e presenta, al di sotto della cavit? 3 ed in corrispondenza della struttura mobile 2, un recesso 19', per consentire la rotazione della stessa struttura mobile 2. In particolare, la cornice 4' ? accoppiata a tale corpo di supporto 19 mediante opportune regioni di materiale di accoppiamento (bonding).

Come illustrato nuovamente in Figura 1A, il dispositivo microelettromeccanico 1 comprende inoltre un sensore piezoresistivo (PZR) 20, opportunamente disposto in modo da fornire un segnale di rilevamento associato alla rotazione della struttura orientabile 2 intorno al primo asse di rotazione; tale segnale di rilevamento pu? essere fornito in retroazione all?esterno del dispositivo microelettromeccanico 1, attraverso almeno una delle piazzole di contatto elettrico 18.

Nella forma di realizzazione illustrata in Figura 1A, tale sensore piezoresistivo 20 ? realizzato (ad esempio mediante diffusione superficiale di atomi droganti) in corrispondenza del secondo elemento di supporto 5b (possono tuttavia essere previste differenti disposizioni per lo stesso sensore piezoresistivo 20, che pu? ad esempio essere analogamente realizzato in corrispondenza del primo elemento di supporto 5a).

In generale, il sensore piezoresistivo 20 pu? essere disposto in prossimit? degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b, in modo da rilevare lo stress associato alla loro torsione e dunque fornire un?indicazione relativa allo spostamento della struttura orientabile 2.

Vantaggiosamente, gli elementi elastici di sospensione 6a, 6b sono in grado di trasmettere gli stress agli elementi di supporto 5a, 5b e dunque verso il sensore piezoresistivo 20, permettendo la sua disposizione in corrispondenza degli stessi elementi di supporto 5a, 5b ed una conseguente semplificazione dell?instradamento (?routing?) dei collegamenti elettrici verso le piazzole di contatto elettrico 18.

Come sar? anche discusso in seguito, il suddetto sensore piezoresistivo 20 pu? ad esempio essere realizzato tramite quattro elementi piezoresistori disposti e collegati a ponte di Wheatstone, in corrispondenza dell?estremit? del relativo elemento di supporto (nell?esempio del secondo elemento di supporto 5b) accoppiata al relativo elemento elastico di sospensione (nell?esempio al secondo elemento elastico di sospensione 6b). Piste di collegamento elettrico (non illustrate in dettaglio) si estendono a partire dai suddetti elementi piezoresistori lungo il relativo elemento di supporto, in modo da raggiungere (in maniera qui non illustrata) relative piazzole di contatto elettrico 18.

La presente Richiedente ha constatato che la sensibilit? del sensore piezoresistivo 20 presenta un fattore di variabilit? dipendente dallo stress avvertito, che ? funzione di possibili variazioni di geometria nella realizzazione della struttura, in particolare nella realizzazione degli elementi elastici di trasmissione dello stress allo stesso sensore piezoresistivo 20 (ovvero, nella forma di realizzazione illustrata, degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b).

Si possono infatti verificare variazioni nelle dimensioni, in particolare nella larghezza trasversale, degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b, dovute al cosiddetto errore di ?CD ? Critical Dimension - loss? (perdita di dimensioni critiche); per effetto di tale errore, ad esempio, le dimensioni degli elementi realizzati tramite attacco chimico non corrispondono alle dimensioni delle maschere di attacco fotolitografico utilizzate per la loro realizzazione.

La presente Richiedente ha constatato che tali variazioni geometriche comportano una variazione della frequenza operativa (torsionale) della struttura orientabile 2 del dispositivo microelettromeccanico 1; tuttavia, tale variazione ? dovuta alle variazioni geometriche non solo degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b, ma anche, ad esempio, della regione riflettente 2? portata dalla struttura orientabile 2 e della struttura di rinforzo 21 accoppiata al di sotto della struttura orientabile 2.

Ne consegue che non ? possibile ricavare informazioni circa la variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20 dalla variazione della frequenza torsionale della struttura orientabile 2.

Un aspetto della presente soluzione prevede di integrare nella piastrina 1? del dispositivo microelettromeccanico 1 almeno una struttura di test 30 (indicata schematicamente in Figura 1A) configurata in modo da fornire informazioni circa la variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20, in particolare comprendente (come sar? discusso in dettaglio in seguito): almeno una massa mobile o inclinabile (?tiltable?), azionabile ad una frequenza di risonanza. In particolare, tale struttura di test 30 ? configurata in modo che una variazione di tale frequenza di risonanza sia associata in maniera sostanzialmente esclusiva alle variazioni geometriche, per effetto del ?CD loss?, cos? da risultare correlata alla variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20. In altre parole, a partire da tale variazione di frequenza di risonanza della struttura di test 30, pu? essere determinata la variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20.

Le informazioni ricavate dalla struttura di test 30 possono quindi essere impiegate in modo opportuno per la calibrazione della stessa sensibilit? del sensore piezoresistivo 20.

In una possibile forma di realizzazione, la struttura di test 30 comprende un elemento elastico torsionale che supporta elasticamente la massa mobile; le caratteristiche del suddetto elemento elastico torsionale sono tali da corrispondere sostanzialmente alle caratteristiche degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b della struttura orientabile 2 (in termini di dimensioni, ovvero di lunghezza e larghezza, della configurazione e disposizione), in modo tale che la variazione di frequenza di risonanza di tale elemento elastico torsionale fornisca un?indicazione affidabile sulle variazioni dimensionali degli stessi elementi elastici di sospensione 6a, 6b (per effetto delle perdite di ?CD loss?) e, di conseguenza, un?indicazione della correlata variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20.

In dettaglio, in una possibile forma di realizzazione, illustrata nelle Figure 2A e 2B, la struttura di test 30 comprende:

una massa mobile (in particolare inclinabile, ?tiltable?) 32, disposta sospesa al di sopra di una rispettiva cavit? 33 realizzata attraverso la cornice 4? (come mostrato schematicamente nella suddetta Figura 1A) ed avente ad esempio una forma rettangolare nel piano orizzontale xy, con spessore corrispondente al suddetto primo spessore;

una trave (beam) di supporto 34, accoppiata ad entrambe le estremit? a rispettivi ancoraggi 35, solidali alla struttura fissa 4 definita nella piastrina 1' (tali ancoraggi 35 possono, ad esempio, essere definiti da porzioni della cornice 4' affacciate alla cavit? 33, oppure da pilastri accoppiati inferiormente, in maniera non illustrata, al corpo di base 19); ed

un elemento elastico torsionale 36, che accoppia la massa inclinabile 32 alla trave di supporto 34, centralmente rispetto alla stessa massa mobile 32 ed alla stessa trave di supporto 34.

Tale elemento elastico torsionale 36, come indicato in precedenza, presenta caratteristiche corrispondenti (?matching?) a quelle del primo e secondo elemento elastico di sospensione 6a, 6b, avendo una elevata rigidit? rispetto a movimenti fuori dal piano orizzontale xy ed essendo cedevole rispetto alla torsione intorno al proprio asse longitudinale (nell?esempio lungo il secondo asse orizzontale y), consentendo cos? la rotazione della massa mobile 32.

L?elemento elastico torsionale 36 si estende dunque, nell?esempio con estensione lineare lungo il secondo asse orizzontale y, tra una porzione centrale della trave di supporto 34 ed una affacciata porzione centrale della massa mobile 32.

La struttura di test 30 comprende inoltre un primo ed un secondo attuatore piezoelettrico 38, 39 (in particolare includenti PZT ? Piombo Zirconato di Titanio), accoppiati superiormente alla trave di supporto 34, da parti opposte rispetto alla parte centrale accoppiata all?elemento elastico torsionale 36.

In maniera non illustrata in dettaglio, tali attuatori piezoelettrici 38, 39 sono formati dalla sovrapposizione di una regione di elettrodo inferiore, di un opportuno materiale conduttivo, disposta al di sopra della relativa porzione della trave di supporto 34; di una regione di materiale piezoelettrico (ad esempio costituita da un film sottile di PZT) disposta sulla suddetta regione di elettrodo inferiore; e di una regione di elettrodo superiore disposta sulla regione di materiale piezoelettrico.

Come indicato schematicamente nella Figura 2A dai riquadri tratteggiati, un?area vuota 40, compresa nel piano orizzontale xy tra la trave di supporto 34 e la massa mobile 32, ai lati dell?elemento elastico torsionale 36, pu? avere dimensioni sostanzialmente equivalenti alla corrispondente area vuota 40? (si veda la Figura 1A ed i corrispondenti riquadri tratteggiati) interposta tra ciascun elemento elastico di sospensione 6a, 6b e gli associati elementi elastici di disaccoppiamento 14a, 14b (rispettivamente 14c, 14d), lateralmente agli stessi elementi elastici di sospensione 6a, 6b.

Tale corrispondenza di aree vuote 40, 40? contribuisce ad incrementare la similarit? di comportamento tra la struttura di test 30 e la struttura di specchio, in tal modo migliorando ulteriormente la risultante accuratezza dell?operazione di calibrazione della sensibilit? del sensore piezoresistivo 20.

Come indicato in Figura 3, in una possibile forma di realizzazione, il dispositivo microelettromeccanico 1 pu? comprendere una pluralit? di struttura di test 30 (ciascuna realizzata come precedentemente discusso in dettaglio), nell?esempio in numero pari a quattro, disposte in rispettive cavit? 33 formate nella cornice 4?, lateralmente, inferiormente e superiormente, rispetto alla struttura orientabile 2.

In generale, la presenza di una pluralit? di strutture di test 30 consente di incrementare l?affidabilit? della calibrazione della sensibilit? del sensore piezoresistivo 20, ad esempio di implementare una media delle indicazioni di calibrazione fornite da ciascuna delle stesse strutture di test 30.

In una possibile forma di realizzazione, la frequenza di risonanza associata alla struttura di test 30 (da cui derivare le informazioni di calibrazione della sensibilit? del sensore piezoresistivo 20) pu? essere determinata mediante tecnica di spettroscopia ad impedenza (?impedance spectroscopy?).

In particolare, e con riferimento alla Figura 4, viene applicata al primo e/o al secondo attuatore piezoelettrico 38, 39 una opportuna tensione di attuazione (ad esempio con valore di 15 V) ad una frequenza variabile in un certo intervallo (intorno ad un valore di progetto, ad esempio pari a 6 kHz) e viene misurata l?impedenza associata agli stessi attuatori piezoelettrici 38, 39 (ad esempio, la capacit? tra le relative regioni di elettrodo superiore ed inferiore).

Come evidenziato nella suddetta Figura 4, si verifica un caratteristico pattern (con due picchi consecutivi, negativo e positivo) nell?andamento del valore di capacit?, in corrispondenza della frequenza di risonanza della struttura di test 30, indicata con fr, pattern che pu? essere agevolmente determinato per ottenere il valore della stessa frequenza di risonanza fr.

La variazione tra tale frequenza di risonanza fr e la frequenza di progetto ?, come precedentemente discusso, imputabile solamente alle variazioni geometriche che si verificano nella realizzazione della struttura di test 30, e fornisce dunque l?indicazione desiderata relativa alle perdite di CD loss e, di conseguenza, alla variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20 (essendo lo stesso sensore piezoresistivo 20 affetto sostanzialmente dalle stesse variazioni geometriche).

Si evidenzia che tale tecnica di misura risulta di semplice e economica realizzazione, prevedendo un ridotto numero di ulteriori piazzole (?pad?) di contatto elettrico 18, portate dalla struttura fissa 4 in corrispondenza della cornice 4?, collegate elettricamente (in maniera non illustrata in dettaglio) agli attuatori piezoelettrici 38, 39 ed in particolare alle relative regioni di elettrodo superiore e/o inferiore.

Come indicato in precedenza, il sensore piezoresistivo 20 pu? essere realizzato tramite quattro elementi piezoresistori disposti e collegati a ponte di Wheatstone.

Un ulteriore aspetto della presente soluzione prevede una opportuna disposizione dei suddetti elementi piezoresistori, finalizzata alla minimizzazione degli effetti che possibili disallineamenti degli stessi elementi piezoresistori rispetto all?asse longitudinale degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b possono avere sulla sensibilit? di rilevamento dello stesso sensore piezoresistivo 20. A questo riguardo, la presente Richiedente ha constatato, in soluzioni note, una possibile variazione di sensibilit? > 1%/?m, con valori di disallineamento che possono raggiungere anche 2 o 3 ?m.

Come illustrato in Figura 5, un aspetto della presente soluzione prevede quindi di ?sdoppiare? il ponte di Wheatstone, con una prima met? degli elementi piezoresistori (un primo ed un secondo elemento piezoresistore 20a, 20b) disposti in corrispondenza dell?estremit? del primo elemento di supporto 5a accoppiata al primo elemento elastico di sospensione 6a; ed una seconda met? degli elementi piezoresistori (un terzo ed un quarto elemento piezoresistore 20c, 20d) disposti in corrispondenza dell?estremit? del secondo elemento di supporto 5b accoppiata al secondo elemento elastico di sospensione 6b.

Tale disposizione degli elementi piezoresistori 20a-20d di fatto azzera (o comunque riduce in maniera sostanziale) la variazione di sensibilit? dovuta a possibili disallineamenti lungo il primo asse orizzontale x, dato che ad un avvicinamento/allontanamento degli elementi piezoresistori 20a, 20b della prima coppia al relativo primo elemento elastico di sospensione 6a corrisponde un identico allontanamento/avvicinamento degli elementi piezoresistori 20c, 20d della seconda coppia al relativo secondo elemento elastico di sospensione 6b.

Un ulteriore aspetto della presente soluzione prevede di separare gli elementi piezoresistori (20a-20b e 20c-20d) di ciascuna coppia lungo la direzione del secondo asse orizzontale y, in modo tale che gli stessi elementi piezoresistori siano disposti in corrispondenza di zone con ridotta variazione della distribuzione di stress.

Come mostrato schematicamente nella stessa Figura 5, le linee di distribuzione di stress presentano, in corrispondenza degli elementi di supporto 5a, 5b, per effetto della torsione degli elementi elastici di sospensione 6a, 6b, andamento a semicerchi, a raggio crescente all?aumentare dalla distanza dagli stessi elementi elastici di sospensione 6a, 6b. In particolare, ? evidente come la pendenza delle linee di distribuzione di stress (rispetto al primo asse orizzontale x) sia massima in corrispondenza del primo asse orizzontale x e decresca all?allontanarsi dallo stesso primo asse orizzontale x lungo il secondo asse orizzontale y.

Gli elementi piezoresistori di ciascuna coppia (20a-20b e 20c-20d) sono quindi posizionati ad una distanza di separazione opportuna lungo il secondo asse orizzontale y, essendo disposti, ciascuno, in corrispondenza di una porzione di bordo del relativo elemento di supporto 5a, 5b.

Nell?esempio illustrato, gli elementi piezoresistori 20a-20d sono inoltre posizionati in modo da avere una disposizione sostanzialmente ortogonale rispetto alle suddette linee di distribuzione di stress.

La presente Richiedente ha dimostrato la possibilit? di ottenere un valore di variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20 minore di 0,15 %/?m rispetto a disallineamenti lungo il secondo asse orizzontale y, ad esempio dovuti a disallineamenti delle maschere di attacco fotolitografico.

Con l?insieme dei suddetti accorgimenti e la opportuna auto-calibrazione della sensibilit? del sensore piezoresistivo 20, la presente Richiedente ha constatato che errori nel rilevamento della posizione della struttura orientabile 2 dovuti alla variazione di sensibilit? dello stesso sensore piezoresistivo 20 possono essere inferiori a 100 mdeg rispetto ad angoli di apertura dello specchio maggiori di 10 deg.

Un ulteriore aspetto della presente soluzione prevede che la struttura di test fornisca, in alternativa o in aggiunta all?indicazione relativa alle variazioni di geometria sul fronte della piastrina 1' (come discusso in precedenza), un?indicazione relativa alle variazioni di geometria che possono verificarsi sul retro della stessa piastrina 1'.

In particolare, ad esempio nuovamente per effetto delle perdite di CD loss, si possono verificare variazioni dimensionali delle strutture formate sul retro della piastrina 1', che possono causare, in determinate forme di realizzazione, una variazione di sensibilit? di rilevamento del sensore piezoresistivo 20.

A questo riguardo, le Figure 6A e 6B mostrano una possibile ulteriore forma di realizzazione del dispositivo microelettromeccanico di specchio, qui indicato con 100, in questo caso di tipo risonante per alta frequenza.

Tale dispositivo microelettromeccanico ? descritto in dettaglio ad esempio nella domanda di brevetto US 2020/0310110 A1 a nome della stessa Richiedente.

In generale, la configurazione del dispositivo microelettromeccanico 100 ? simile a quanto discusso in precedenza per il dispositivo microelettromeccanico 1, il dispositivo comprendendo infatti:

la struttura orientabile 2 sospesa al di sopra della cavit? 3 all?interno della cornice 4? definita dalla struttura fissa 4 della piastrina 1? e portante la regione riflettente 2' di specchio; e

la struttura di attuazione 10, accoppiata alla struttura orientabile 2 e configurata in modo da causarne la rotazione, interposta tra la struttura orientabile 2 e la struttura fissa 4 e comprendente la prima coppia di bracci di azionamento 12a, 12b e la seconda coppia di bracci di azionamento 12c, 12d (ciascuno portante una rispettiva struttura piezoelettrica 13).

Gli elementi elastici di sospensione 6a, 6b sono in questo caso interposti tra la cornice 4? della struttura fissa 4 e gli elementi di supporto 5a, 5b, questi ultimi essendo accoppiati alla struttura orientabile 2 ed aventi essi stessi caratteristiche elastiche torsionali.

In questo caso, il sensore piezoresistivo 20 ? posizionato in corrispondenza della porzione della cornice 4' accoppiata al secondo elemento elastico di sospensione 6b, in modo nuovamente da fornire un segnale di rilevamento associato alla rotazione della struttura orientabile 2 intorno all'asse di rotazione (utilizzabile per il controllo in retroazione dello specchio).

Come evidenziato anche dall?esame della Figura 6B, in questo caso la sensibilit? del sensore piezoresistivo 20, per effetto del suo posizionamento in prossimit? della cornice 4?, risente anche degli effetti delle perdite di CD loss che possono verificarsi sul retro della piastrina 1? (la cornice 4? ? infatti definita anche sul retro della stessa piastrina 1?).

Un ulteriore aspetto della presente soluzione prevede dunque di introdurre, vantaggiosamente in aggiunta alla/e struttura/e di test 30, almeno una ulteriore struttura di test, indicata schematicamente con 30?, opportunamente configurata per fornire, nuovamente sulla base della variazione di una relativa frequenza di risonanza, indicazioni circa le variazioni geometriche sul retro della piastrina 1? per effetto delle perdite di CD loss (e dunque delle associate variazioni di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20).

In una possibile forma di realizzazione, mostrata nelle Figure 7A e 7B, tale ulteriore struttura di test 30? comprende un elemento a trave 40, sospeso al di sopra di una rispettiva cavit? 41 formata attraverso la cornice 4?, in posizione opportuna, ad esempio in corrispondenza di uno degli angoli di tale cornice 4? (si veda anche la Figura 6A).

L?elemento a trave 40 ? ancorato alla struttura fissa 4 della piastrina 1? del dispositivo microelettromeccanico 100, in particolare alla relativa cornice 4?, tramite una relativa porzione di ancoraggio 40a e porta superiormente, al di sopra di una porzione a sbalzo 40b, un rispettivo attuatore piezoelettrico 44, ad esempio formato dalla sovrapposizione di una regione di elettrodo inferiore, di un opportuno materiale conduttivo; di una regione di materiale piezoelettrico (ad esempio costituita da un film sottile di PZT) disposta sulla suddetta regione di elettrodo inferiore; e di una regione di elettrodo superiore disposta sulla regione di materiale piezoelettrico.

L?elemento a trave 40 presenta inoltre inferiormente, realizzata sul retro della piastrina 1?, una porzione di rinforzo 45, che si accoppia, in corrispondenza di una sua prima estremit?, al di sotto della porzione di ancoraggio 40a, ed ? disposta, in corrispondenza di una sua seconda estremit? longitudinalmente opposta alla prima estremit?, in prossimit? della porzione a sbalzo 40b dello stesso elemento a trave 40.

In particolare, l?estensione longitudinale della suddetta porzione di rinforzo 45 determina la corrispondente estensione della porzione a sbalzo 40b dell?elemento a trave 40.

In uso, la polarizzazione dell?attuatore piezoelettrico 44 determina l?oscillazione della porzione a sbalzo 40b dell?elemento a trave 40, in direzione verticale, ad una data frequenza di risonanza (tale porzione a sbalzo 40b costituendo in questo caso la massa mobile della struttura di test 30?).

In particolare, le perdite di CD loss sul retro della piastrina 1? possono determinare una variazione della dimensione longitudinale della porzione di rinforzo 45 e di conseguenza della porzione a sbalzo 40b dell?elemento a trave 40, determinando una variazione della frequenza di risonanza.

Non essendoci altri fattori di variazione che determinano la frequenza di risonanza nella struttura di test 30?, il valore della stessa frequenza di risonanza ? direttamente correlabile alle variazioni dimensionali sul retro (per effetto delle perdite di CD loss), fornendo dunque una indicazione utilizzabile per la calibrazione delle variazioni di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20 dovute alle stesse variazioni dimensionali sul retro.

Anche in questo caso, il dispositivo microelettromeccanico 100 pu? vantaggiosamente comprendere una pluralit? delle ulteriori strutture di test 30?, per incrementare ulteriormente la precisione di calibrazione, ad esempio implementando opportune operazioni di media basate sulle indicazioni fornite dalle stesse strutture di test 30?. Ad esempio, in modo non illustrato, potrebbero essere previste quattro ulteriori strutture di test 30?, disposte agli angoli della cornice 4? del dispositivo microelettromeccanico 100.

Come illustrato schematicamente in Figura 8, Il dispositivo microelettromeccanico 1, 100 pu? essere vantaggiosamente utilizzato in un dispositivo optoelettronico, quale un picoproiettore, 50, atto ad esempio ad essere accoppiato funzionalmente ad un apparecchio elettronico portatile 51 (quale uno smartphone o un occhiale a realt? aumentata).

In dettaglio, il dispositivo optoelettronico 50 comprende una sorgente luminosa 52, ad esempio di tipo laser, atta a generare un fascio luminoso 53; il dispositivo microelettronico 1, 100, agente da specchio ed atto a ricevere il fascio luminoso 53 e ad indirizzarlo verso uno schermo o superficie di visualizzazione 55 (esterna e posta a distanza dallo stesso pico-proiettore 50); un primo circuito di pilotaggio 56, atto a fornire opportuni segnali di comando alla sorgente luminosa 52, per la generazione del fascio luminoso 53, in funzione di un?immagine da proiettare; un secondo circuito di pilotaggio 58, atto a fornire opportuni segnali di comando alla struttura di attuazione del dispositivo microelettronico 1, 100 (ed inoltre, secondo un aspetto della presente soluzione, alla/e struttura/e di test 30, 30? integrata/e nello stesso dispositivo microelettronico 1, 100); ed un?interfaccia 59, atta a ricevere, da un?unit? di controllo 60, in questo caso esterna, ad esempio inclusa nell?apparecchio portatile 51, primi segnali di controllo Sd1, per controllare il primo circuito di pilotaggio 56, e secondi segnali di controllo Sd2, per controllare il secondo circuito di pilotaggio 58.

L'unit? di controllo 60 riceve inoltre, attraverso l?interfaccia 59, un segnale di retroazione Sr, fornito dal sensore piezoresistivo 20 del dispositivo microelettromeccanico 1, 100, indicativo della posizione della struttura orientabile 2, in modo da controllare in retroazione l?azionamento della stessa struttura orientabile 2.

In particolare, secondo una possibile implementazione, l?unit? di controllo 60 pu? ricevere inoltre un segnale di calibrazione Sc, fornito dalla struttura di test 30, 30? integrata nel dispositivo microelettromeccanico 1, 100, indicativo della variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo 20, in modo tale da attuare, sulla base di tale segnale di calibrazione Sc, una opportuna operazione di auto-calibrazione, per la correzione della posizione della struttura orientabile 2 determinata in funzione del segnale di retroazione Sr.

In alternativa, l?operazione di calibrazione pu? essere eseguita da una elettronica esterna all?apparecchio portatile 51 (nuovamente utilizzando il segnale di calibrazione Sc fornito dalla struttura di test 30 per la correzione del segnale di retroazione Sr), in una procedura di calibrazione che, vantaggiosamente, non richieda in ogni caso le complesse misure ottiche previste dalle soluzioni note.

I vantaggi della presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In ogni caso, si evidenzia nuovamente che la soluzione descritta consente di evitare l?impiego di complessi e costosi (in termini economici e di tempo) set-up di calibrazione che prevedano feedback di natura ottica, tramite telecamere o simili.

La presente soluzione prevede infatti una struttura di test integrata nello stesso dispositivo microelettromeccanico di specchio, che fornisce un?indicazione circa la eventuale variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo, per l?auto-calibrazione dei segnali di rilevamento forniti in retroazione per il controllo dell?attuazione dello specchio.

Si evidenzia che, grazie alla presente soluzione, tale auto-calibrazione pu? essere eseguita anche in tempo reale, ovvero durante l?operativit? del dispositivo microelettromeccanico di specchio, o in una fase di calibrazione dedicata, in ogni caso richiedendo semplici ed efficaci operazioni di calibrazione.

Risulta inoltre vantaggiosa, come discusso in precedenza, la particolare disposizione degli elementi piezoresistori del sensore piezoresistivo 20, che consente di ridurre le relative variazioni della sensibilit? di rilevamento (e pertanto agevola le suddette operazioni di auto-calibrazione).

In generale, la presente soluzione consente di sfruttare i vantaggi dell?attuazione piezoelettrica (ovvero, l?impiego di ridotte tensioni di polarizzazione con un ridotto consumo energetico per ottenere elevati spostamenti) e del rilevamento piezoresistivo dell?attuazione dello specchio, al contempo presentando migliorate prestazioni meccaniche ed elettriche rispetto a soluzioni note.

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

Ad esempio, la soluzione descritta pu? essere applicata anche nel caso di una realizzazione biassiale del dispositivo microelettromeccanico di specchio (in maniera analoga a quanto descritto in dettaglio nella suddetta domanda di brevetto europeo 3 666 727 A1), ovvero nel caso in cui la struttura orientabile 2 sia in grado di compiere movimenti di rotazione sia intorno al primo asse di rotazione (coincidente con il primo asse mediano di simmetria X parallelo al primo asse orizzontale x), sia intorno ad un secondo asse di rotazione (coincidente con il secondo asse mediano di simmetria Y parallelo al secondo asse orizzontale y).

Inoltre, possono in generale essere previste varianti per quanto riguarda la forma degli elementi costitutivi il dispositivo microelettromeccanico di specchio 1, 100 ad esempio forme differenti della struttura orientabile 2 (e della relativa regione riflettente 2'), o forme e/o disposizioni differenti dei bracci di azionamento 12a-12d.

Inoltre, il primo ed il secondo elemento elastico di sospensione 6a, 6b potrebbero essere, anzich? di tipo lineare, alternativamente di tipo ?folded? o ripiegato.

Claims (18)

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo microelettromeccanico di specchio (1; 100), comprendente, in una piastrina (1?) di materiale semiconduttore:

una struttura fissa (4) definente una cavit? (3);

una struttura orientabile (2) portante una regione riflettente (2'), sospesa elasticamente al di sopra della cavit? (3) ed avente estensione principale in un piano orizzontale (xy);

almeno una prima coppia di bracci di azionamento (12a, 12b), accoppiati alla struttura orientabile (2) e portanti rispettive regioni di materiale piezoelettrico (13) polarizzabili per causare una rotazione della struttura orientabile (2) intorno ad un asse di rotazione (X) parallelo ad un primo asse orizzontale (x) di detto piano orizzontale;

elementi elastici di sospensione (6a, 6b), configurati in modo da accoppiare detta struttura orientabile (2) elasticamente a detta struttura fissa (4) in corrispondenza di detto asse di rotazione (X), rigidi rispetto a movimenti fuori dal piano orizzontale (xy) e cedevoli rispetto a torsione intorno a detto asse di rotazione (X); ed

un sensore piezoresistivo (20), configurato in modo da fornire un segnale di rilevamento (Sr) indicativo della rotazione della struttura orientabile (2) intorno all?asse di rotazione (X),

caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una struttura di test (30, 30?), integrata in detta piastrina (1?) e configurata in modo da fornire un segnale di calibrazione (Sc) indicativo di una variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo (20), al fine di una calibrazione di detto segnale di rilevamento (Sr).

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo (20) ? imputabile a variazioni di geometria nella realizzazione di detto dispositivo microelettromeccanico (1; 100); ed in cui detta struttura di test (30, 30?) comprende una massa mobile (32; 40) azionabile in risonanza mediante attuazione piezoelettrica, la frequenza di risonanza associata a detta struttura di test (30; 30?) presentando una variazione che ? funzione di dette variazioni di geometria e correlata ad una variazione di detta sensibilit? del sensore piezoresistivo (20); in cui detto segnale di calibrazione (Sc) ? indicativo della variazione di detta frequenza di risonanza.

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui dette variazioni di geometria sono dovute a perdita di dimensioni critiche ? CD, Critical Dimension, Loss - nella realizzazione di detto dispositivo microelettromeccanico (1; 100), sul fronte e/o sul retro della piastrina (1?) di materiale semiconduttore.

4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta massa mobile (32) ? disposta sospesa all?interno di una rispettiva cavit? (33) formata in detta piastrina (1?); ed in cui detta struttura di test (30) comprende inoltre: una trave di supporto (34), accoppiata ad entrambe le estremit? a rispettivi ancoraggi (35), solidali alla struttura fissa (4);

un elemento elastico torsionale (36), che accoppia la massa mobile (32) alla trave di supporto (34), centralmente rispetto a detta massa mobile (32) e a detta trave di supporto (34); ed

un primo ed un secondo attuatore piezoelettrico (38, 39), accoppiati alla trave di supporto (34), da parti opposte rispetto all?elemento elastico torsionale (36).

5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detto elemento elastico torsionale (36) presenta caratteristiche corrispondenti a detti elementi elastici di sospensione (6a, 6b), in termini di lunghezza e larghezza in detto piano orizzontale (xy).

6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre elementi elastici di disaccoppiamento (14a, 14b), che accoppiano detta struttura orientabile (2) a detti bracci di azionamento (12a, 12b) da parti opposte ed in prossimit? dell?asse di rotazione (X) e sono rigidi per movimenti fuori dal piano orizzontale (xy) e cedevoli a torsione intorno ad un asse parallelo a detto asse di rotazione (X); in cui un?area vuota (40), compresa nel piano orizzontale (xy) tra la trave di supporto (34) e la massa mobile (32), ai lati dell?elemento elastico torsionale (36), ha dimensioni corrispondenti alla rispettiva area vuota (40?) interposta nel piano orizzontale (xy) tra gli elementi elastici di sospensione (6a, 6b) e gli associati elementi elastici di disaccoppiamento (14a, 14b), lateralmente agli elementi elastici di sospensione (6a, 6b).

7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-6, in cui la variazione di frequenza di risonanza associata a detta struttura di test (30) ? dovuta ad una variazione dimensionale di detti elementi elastici di sospensione (6a, 6b) sul fronte di detta piastrina (1?).

8. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta massa mobile (40) di detta struttura di test (30?) ? un elemento a trave, sospeso al di sopra di una rispettiva cavit? (41) formata in detta piastrina (1?) ed ancorato alla struttura fissa (4) e portante superiormente un rispettivo attuatore piezoelettrico (44); in cui detto elemento a trave (40) presenta inferiormente, sul retro di detta piastrina (1?), una porzione di rinforzo (45), solidale a detta struttura fissa (4) e definente l?estensione di una porzione a sbalzo (40b) dell?elemento a trave (40).

9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui la variazione di frequenza di risonanza associata a detta struttura di test (30?) ? associata ad una variazione dimensionale di detta porzione di rinforzo (45) sul retro di detta piastrina (1?).

10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre ulteriori strutture di test (30, 30?) integrate in detta piastrina (1?).

11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-10, in cui detto segnale di calibrazione (Sc) ? funzione di una variazione di impedenza associata a detta struttura di test (30; 30?), detta impedenza avendo un pattern determinato e riconoscibile in corrispondenza di detta frequenza di risonanza.

12. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore piezoresistivo (20) comprende quattro elementi piezoresistori (20a-20d) collegati a ponte di Wheatstone, secondo una disposizione configurata in modo da ridurre gli effetti sulla sensibilit? di rilevamento di detto sensore piezoresistivo (20) causati da disallineamenti degli stessi elementi piezoresistori rispetto a detti elementi elastici di sospensione (6a, 6b).

13. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, in cui una prima met? degli elementi piezoresistori (20a, 20b) ? disposta in prossimit? di un primo elemento elastico di sospensione (6a) da un primo lato di detta struttura orientabile (2) lungo detto asse di rotazione (X); ed una seconda met? degli elementi piezoresistori (20c, 20d) ? disposta in prossimit? di un secondo elemento elastico di sospensione (6b) da un secondo lato di detta struttura orientabile (2) lungo detto asse di rotazione (X), opposto a detto primo lato.

14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui gli elementi piezoresistori (20a-20b, 20c-20d) di ciascuna coppia sono disposti ad una distanza di separazione lungo un secondo asse orizzontale (y), ortogonale al primo asse orizzontale (x) ed appartenente al piano orizzontale (xy), tale da essere in corrispondenza di zone con ridotta variazione della distribuzione di stress dovuto alla torsione di detti elementi elastici di sospensione (6a, 6b).

15. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sensore piezoresistivo (20) ? disposto in prossimit? di, ed associato a, uno tra detti elementi elastici di sospensione (6a, 6b), in modo da rilevare lo stress associato alla sua torsione e dunque al movimento della struttura orientabile (2).

16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, in cui detta struttura fissa (4) forma, nel piano orizzontale (xy), una cornice (4') che delimita e circonda detta cavit? (3), e presenta inoltre un primo ed un secondo elemento di supporto (5a, 5b), estendentisi longitudinalmente lungo detto asse di rotazione (X) all?interno della cavit? (3) a partire da detta cornice (4?), da parti opposte di detta struttura orientabile (2); in cui detti elementi elastici di sospensione (6a, 6b) si estendono tra detta struttura orientabile (2) ed un rispettivo di detti primo e secondo elemento di supporto (5a, 5b); ed in cui detto sensore piezoresistivo (20) ? realizzato in corrispondenza di uno tra detti primo e secondo elemento di supporto (5a, 5b).

17. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, in cui detta struttura fissa (4) forma, nel piano orizzontale (xy), una cornice (4') che delimita e circonda detta cavit? (3), e presenta inoltre un primo ed un secondo elemento di supporto (5a, 5b), estendentisi longitudinalmente lungo detto asse di rotazione (X) all?interno della cavit? (3) a partire da detta struttura orientabile (2), da parti opposte di detta struttura orientabile (2); in cui detti elementi elastici di sospensione (6a, 6b) si estendono tra detta cornice (4') ed un rispettivo di detti primo e secondo elemento di supporto (5a, 5b); ed in cui detto sensore piezoresistivo (20) ? realizzato in corrispondenza di detta cornice (4').

18. Sistema optoelettronico, comprendente il dispositivo microelettromeccanico di specchio (1; 100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; ed un?unit? di controllo (60), configurata in modo da controllare l?azionamento del dispositivo microelettromeccanico di specchio (1; 100) in retroazione sulla base del segnale di rilevamento (Sr) indicativo della rotazione della struttura orientabile (2) intorno all?asse di rotazione (X) fornito dal sensore piezoresistivo (20), calibrato in funzione del segnale di calibrazione (Sc) indicativo della variazione di sensibilit? del sensore piezoresistivo (20) fornito dalla struttura di test (30, 30?).