IT202100014063A1 - Dispositivo per il rilevamento di particolato e di uno o piu' gas nell'aria - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?DISPOSITIVO PER IL RILEVAMENTO DI PARTICOLATO E DI UNO O PIU' GAS NELL'ARIA?
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo per il rilevamento di particolato e di uno o pi? gas nell?aria. In particolare, ? relativa ad un sensore MEMS integrato e configurato per rilevare gas e particolato, ad un apparecchio comprendente il dispositivo (o sensore) MEMS e ad un processo di fabbricazione del dispositivo MEMS.
Come noto, i sensori ambientali permettono di rilevare parametri quali la qualit? dell'aria, l'inquinamento atmosferico e la presenza di determinati gas nell?atmosfera.
Ci? ? fondamentale per determinare la qualit? di vita in determinate aree abitative e per adottare alcune precauzioni o rimedi al fine di diminuire o contenere la quantit? di elementi nocivi per la salute dell?uomo (es., controllare il traffico in funzione dei livelli di inquinamento rilevati).
Negli ultimi anni sono stati messi in commercio diversi apparecchi portatili che comprendono uno o pi? sensori ambientali al loro interno e che permettono all?utilizzatore (anche non esperto, cio? anche ad un compratore medio che non li utilizza a scopi professionali) di valutare la qualit? dell?aria del luogo in cui si trova. Questo dovrebbe permettere di sensibilizzare l?opinione pubblica riguardo il problema dell?inquinamento atmosferico, ma soprattutto permettere all?utilizzatore di adottare alcune misure precauzionali per contrastare i potenziali effetti nocivi dovuti all?inquinamento (es., indossare maschere filtranti durante gli spostamenti in citt? quando i livelli di inquinamento superano soglie critiche).
In particolare, tali apparecchi portatili generalmente permettono il rilevamento di particolato atmosferico (con dimensioni usualmente comprese fra circa 1 ?m e circa 10 ?m di diametro) e, opzionalmente, di specifici gas nocivi per la salute dell?uomo (es., CO, CO2, NO, NO2).
Tuttavia, gli apparecchi portatili attualmente in commercio sono voluminosi, complessi da realizzare, costosi e dunque di scarsa portabilit? e utilizzo in quanto comprendono diversi sensori ambientali, ciascuno di tipo macroscopico, che sono fabbricati ciascuno indipendentemente dall?altro e che vengono poi uniti fra loro su una scheda elettronica (es., un circuito stampato, "printed circuit board", PCB) ed alloggiati all?interno dell?apparecchio portatile. Questo rende gli apparecchi portatili attualmente noti difficilmente utilizzabili da utilizzatori non professionisti (cio? da utilizzatori che non li utilizzano periodicamente nella loro normale attivit? lavorativa).
Inoltre, i sensori ambientali richiedono una manutenzione periodica che al momento necessita di un intervento manuale da parte dell?utilizzatore (oppure di un controllo periodico da parte di professionisti esperti, causando disagio organizzativo e costi aggiuntivi per l?utilizzatore).
Scopo della presente invenzione ? fornire un dispositivo MEMS, un apparecchio comprendente il dispositivo MEMS e un processo di fabbricazione del dispositivo MEMS che superino gli inconvenienti dell?arte nota.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo MEMS, un apparecchio comprendente il dispositivo MEMS e un processo di fabbricazione del dispositivo MEMS, come definiti nelle rivendicazioni annesse.
Per una migliore comprensione della presente invenzione vengono ora descritte forme di realizzazione con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra schematicamente una vista in sezione laterale di un dispositivo MEMS per la rilevazione del particolato atmosferico e di gas, secondo una forma di realizzazione del dispositivo MEMS, il dispositivo MEMS comprendendo un sensore di particolato e un sensore di gas;
- la figura 1A mostra schematicamente un apparecchio comprendente il dispositivo MEMS di figura 1;
- le figure 2A e 2B mostrano viste in sezione laterale di rispettivi dettagli del sensore di particolato compreso nel dispositivo MEMS di figura 1, secondo una forma di realizzazione;
- la figura 3A ? una vista dall?alto del sensore di gas compreso nel dispositivo MEMS di figura 1, secondo una forma di realizzazione del sensore di gas;
- la figura 3B mostra schematicamente una vista in sezione laterale del sensore di gas di figura 3A;
- le figure 4A e 4B mostrano viste in sezione laterale di un sensore di flusso d?aria opzionalmente compreso nel dispositivo MEMS di figura 1, secondo rispettive forme di realizzazione;
- la figura 5 ? una vista prospettica del dispositivo MEMS di figura 1, secondo una forma di realizzazione;
- le figure 6A e 6B sono viste dall?alto di rispettive porzioni del dispositivo MEMS di figura 5, ruotate fra loro; - la figura 7 ? una vista prospettica del dispositivo MEMS di figura 1, secondo una diversa forma di realizzazione;
- le figure 8A e 8B sono viste dall?alto di rispettive porzioni del dispositivo MEMS di figura 7, ruotate fra loro;
- le figure 9A-9I sono viste schematiche in sezione laterale che illustrano rispettive fasi di fabbricazione del sensore di gas e del sensore di particolato del dispositivo MEMS di figura 5, secondo una forma di realizzazione; e - le figure 10A-10G sono viste schematiche in sezione laterale che illustrano rispettive fasi di fabbricazione del dispositivo MEMS di figura 5, secondo una forma di realizzazione.
Elementi comuni alle diverse forme di realizzazione della presente invenzione, descritte nel seguito, sono indicati con gli stessi numeri di riferimento.
La figura 1 mostra schematicamente, in vista in sezione laterale in un sistema di riferimento cartesiano (triassiale) di assi X, Y, Z, un dispositivo MEMS 20, in particolare un sensore MEMS per il rilevamento di particolato atmosferico e di gas. In particolare, il dispositivo MEMS 20 ? configurato per essere montato in un apparecchio (mostrato in figura 1A con il numero di riferimento 100, quale uno smartphone o un dispositivo di protezione individuale, DPI) in modo da permettere a quest?ultimo di acquisire in modo semplice e veloce informazioni riguardo l?ambiente in cui esso si trova, in dettaglio informazioni riguardo la qualit? dell?aria.
Il dispositivo MEMS 20 comprende un primo corpo semiconduttore 22 (di materiale semiconduttore quale silicio) e un secondo corpo semiconduttore 23 (di materiale semiconduttore quale silicio) affacciati fra loro e accoppiati fra loro in modo da esser posti a distanza fra loro, formando cos? un condotto 24 (cio? un micro-canale) attraverso cui pu? circolare aria, e quindi il particolato e i gas da essa portati. In dettaglio, il primo corpo semiconduttore 22 presenta estensione principale esemplificativamente parallela ad un piano XY (definito dagli assi X e Y) e presenta una prima e una seconda superficie 22a e 22b opposte fra loro rispetto all?asse Z; il secondo corpo semiconduttore 23 presenta estensione principale esemplificativamente parallela al piano XY e presenta una rispettiva prima e una rispettiva seconda superficie 23a e 23b opposte fra loro rispetto all?asse Z. Le prime superfici 22a e 23a dei corpi semiconduttori 22 e 23 sono affacciate fra loro. I corpi semiconduttori 22 e 23 sono fissati fra loro, come meglio discusso in seguito, in modo tale per cui le prime superfici 22a e 23a sono distanziate reciprocamente.
In particolare, in modo non mostrato in figura 1, gruppi spaziatori 26 (figura 5) si estendono trasversalmente al piano XY (e dunque trasversalmente, in particolare ortogonalmente, alle prime superfici 22a e 23a) ad unire reciprocamente ed a distanziare fra loro i corpi semiconduttori 22 e 23. Secondo una forma di realizzazione mostrata in figura 5, il dispositivo MEMS 20 comprende un primo e un secondo gruppo spaziatore 26a e 26b fissati alle prime superfici 22a e 23a e interposti fra i corpi semiconduttori 22 e 23.
Come mostrato in figura 5, i corpi semiconduttori 22 e 23 e i gruppi spaziatori 26a e 26b definiscono e delimitano esternamente il condotto 24, che presenta una direzione di estensione principale esemplificativamente parallela all?asse X. Il condotto 24 ? in comunicazione fluidica e pneumatica con un ambiente esterno al dispositivo MEMS 20 attraverso una prima apertura 24a e una seconda apertura 24b opposte fra loro lungo l?asse X. In altre parole, i corpi semiconduttori 22 e 23 e i gruppi spaziatori 26a e 26b definiscono un volume interno del dispositivo MEMS 20 che ? delimitato lungo gli assi Y e Z e che ? aperto verso l?esterno tramite la prima e la seconda apertura 24a e 24b. L?aria proveniente dall?esterno pu? dunque attraversare il condotto 24 entrando dalla prima apertura 24a ed uscendo dalla seconda apertura 24b, o viceversa, come meglio discusso nel seguito.
Il dispositivo MEMS 20 comprende un sensore di particolato 30 per rilevare il particolato (indicato in figura 1 con il numero di riferimento 34?) nell?aria nel condotto 24, e uno o pi? sensori di gas 32 per rilevare uno o pi? gas (nel seguito si fa esemplificativamente riferimento ad un gas indicato con il numero di riferimento 34?, quale NO2 o NH3) eventualmente presenti nell?aria.
In dettaglio, il sensore di particolato 30 comprende un gruppo emettitore 36 comandabile per generare onde acustiche nel condotto 24, e un gruppo di rilevamento di particolato (nel seguito anche chiamato gruppo rilevamento PM) 37 per rilevare il particolato 34?. Il gruppo emettitore 36 e il gruppo rilevamento PM 37 sono portati dal primo e dal secondo corpo semiconduttore 22 e 23 e si estendono da parti opposte fra loro del condotto 24, in modo da esser affacciati reciprocamente. Nel seguito si considera esemplificativamente il caso in cui il gruppo emettitore 36 ? compreso nel primo corpo semiconduttore 22 ed ? formato in corrispondenza della prima superficie 22a di quest?ultimo, e in cui il gruppo rilevamento PM 37 ? compreso nel secondo corpo semiconduttore 23 ed ? formato in corrispondenza della prima superficie 23a di quest?ultimo; tuttavia, tale caso ? qui considerato solo in modo esemplificativo e non limitativo, ed ? dunque anche possibile che il gruppo emettitore 36 sia compreso nel secondo corpo semiconduttore 23 e che il gruppo rilevamento PM 37 sia compreso nel primo corpo semiconduttore 22.
In dettaglio, il gruppo emettitore 36 e il gruppo rilevamento PM 37 sono rispettivi dispositivi trasduttori a ultrasuoni, in particolare trasduttori piezoelettrici a ultrasuoni in tecnologia MEMS (?Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers?, PMUT).
In uso, come meglio descritto in seguito, il gruppo emettitore 36 genera onde acustiche (indicate in figura 1 con il numero di riferimento 48) che si propagano trasversalmente al condotto 24 (es., la direzione di propagazione ? parallela all?asse Z) e deviano le traiettorie del particolato 34? verso il gruppo rilevamento PM 37, per acustoforesi. Infatti, il particolato 34? presente nel condotto 24 sperimenta, a causa delle onde acustiche 48 (che sono onde ultrasoniche stazionarie nel condotto 24), forze di radiazione acustica che causano il trasporto del particolato 34? verso un piano nodale di pressione che ? localizzato in corrispondenza del gruppo rilevamento PM 37. Di conseguenza, a causa di una pressione causata dalle onde acustiche 48 che ? minore in corrispondenza del gruppo rilevamento PM 37 rispetto che nel resto del condotto 24, il particolato 34? ? forzato in corrispondenza del gruppo rilevamento PM 37, al quale dunque rimane attaccato come meglio discusso nel seguito.
In uso, il gruppo rilevamento PM 37 rileva il particolato 34? aggregato sul gruppo rilevamento PM 37 a causa delle onde acustiche 48. In particolare, il gruppo rilevamento PM 37 ? realizzato in modo tale da avere frequenze di vibrazione meccaniche diverse dalla frequenza delle onde ultrasoniche generate dal gruppo 36. Di conseguenza il gruppo 37 non vibra per effetto delle onde acustiche 48 emesse dal gruppo 36. Il gruppo 37 viene posto in vibrazione mediante un segnale elettrico, come meglio descritto nel seguito, al fine di rilevare l?effettiva frequenza di risonanza del gruppo rilevamento PM 37. La massa del particolato 34? aggregato al gruppo di rilevamento PM 37 determina una variazione della massa del gruppo rilevamento PM 37, e dunque una modifica della frequenza di risonanza di quest?ultimo. La variazione della frequenza di risonanza del gruppo rilevamento PM 37 ? dunque funzione e della quantit? di particolato 34? presente sul gruppo rilevamento PM 37. Misurando la frequenza di risonanza del gruppo rilevamento PM 37 ? dunque possibile ottenere informazioni riguardo parametri quali la quantit? e la grandezza del particolato 34? presente nell?aria.
La figura 2A mostra la struttura del gruppo emettitore 36.
Come mostrato nella figura 2A, il gruppo emettitore 36 ? formato nel primo corpo semiconduttore 22, in corrispondenza della rispettiva prima superficie 22a.
Una prima cavit? sepolta 40 si estende nel primo corpo semiconduttore 22 in corrispondenza della prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22, ed ? separata dal condotto 24 tramite una membrana 42 sospesa sulla prima cavit? sepolta 40. Come meglio descritto nel seguito, la prima cavit? sepolta 40 pu? esser in connessione fluidica con il condotto 24 tramite uno o pi? fori nella membrana 42, oppure pu? esser in connessione fluidica con l?ambiente esterno al dispositivo MEMS 20 tramite uno o pi? fori o aperture nel primo corpo semiconduttore 22 che raggiungono la seconda superficie 22b del primo corpo semiconduttore 22, oppure pu? esser isolata da un punto di vista fluidico sia rispetto al condotto 24 che all?ambiente esterno (in questo caso, opzionalmente, una quantit? predefinita di aria viene introdotta nella prima cavit? sepolta 40 durante la fabbricazione del gruppo emettitore 36).
In particolare, la membrana 42 ? formata da un corpo di membrana 44 che ? realizzato a partire dal primo corpo semiconduttore 22 e che forma la prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22, e da un gruppo di attuazione 46 meccanicamente accoppiato al primo corpo semiconduttore 22 (in dettaglio, estendentesi sul primo corpo semiconduttore 22) e comandabile per indurre la membrana 42 a vibrare.
In dettaglio, il primo corpo semiconduttore 22 comprende un substrato 22? di materiale semiconduttore (es., silicio) e uno strato di ossido 22? (di materiale isolante quale diossido di silicio) estendentesi sul substrato 22? e realizzante la prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22. La porzione di substrato 22? e di strato di ossido 22? sospesa sopra la prima cavit? sepolta 40 forma il corpo di membrana 44.
Inoltre, il gruppo di attuazione 46 comprende uno strato piezoelettrico 46a (di materiale piezoelettrico quale ad esempio PZT) interposto lungo l?asse Z fra un primo e un secondo elettrodo 46b e 46c (conduttivi, ad esempio di materiale metallico quale platino, oro o rame oppure di materiale semiconduttore con elevata concentrazione di specie droganti quale silicio con concentrazione di specie droganti di tipo N maggiore di 10<18 >at/cm<3>) che sono polarizzabili per generare una differenza di potenziale ai capi dello strato piezoelettrico 46a e per indurre di conseguenza una deformazione elastica dello strato piezoelettrico 46a, e dunque della membrana 42, per effetto piezoelettrico inverso. Ad esempio, il primo elettrodo 46b si estende a contatto con il corpo di membrana 44 (dunque sullo strato di ossido 22?, a contatto con la prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22), e il secondo elettrodo 22b si estende da parte opposta dello strato piezoelettrico 46a rispetto al primo elettrodo 46b.
La struttura del gruppo rilevamento PM 37, mostrata in figura 2B, ? analoga a quella del gruppo emettitore 36 e dunque non viene nuovamente descritta. Tuttavia, la prima cavit? sepolta 40 del gruppo rilevamento PM 37 deve contenere aria, e dunque ? in connessione fluidica con il condotto 24 tramite uno o pi? fori nella membrana 42, oppure ? in connessione fluidica con l?ambiente esterno al dispositivo MEMS 20 tramite uno o pi? fori o aperture nel secondo corpo semiconduttore 23 che raggiungono la seconda superficie 23b del secondo corpo semiconduttore 23, oppure ? isolata da un punto di vista fluidico sia rispetto al condotto 24 che all?ambiente esterno ma dell?aria viene introdotta nella prima cavit? sepolta 40 in fase di fabbricazione (es., a circa la stessa pressione che avr? in uso l?aria circolante nel condotto 24). Opzionalmente, in aggiunta a quanto detto con riferimento al gruppo emettitore 36, il gruppo rilevamento PM 37 comprende inoltre, come mostrato nella figura 2B, uno strato di adesione di particolato 49 (nel seguito anche chiamato strato di adesione PM 49, ad esempio di materiale polimerico quale photoresist) che si estende sulla membrana 42 (in dettaglio, sul gruppo di attuazione 46 e, opzionalmente, su parte della prima superficie 23a del secondo corpo semiconduttore 23) e migliora l?adesione del particolato 34? al gruppo rilevamento PM 37. Tale adesione ? selettiva grazie alla scelta del materiale dello strato di adesione PM 49 (scelta che ? basta su criteri di per s? noti), e dunque solo il particolato 34? aderisce e rimane incollato al gruppo emettitore 36.
In uso, il gruppo emettitore 36 ? affacciato a, ed a contatto con, l?aria nel condotto 24.
In uso, il gruppo emettitore 36 ? operato in una propria modalit? di trasmissione (cio? lavora come attuatore) e dunque la membrana 42 viene posta in vibrazione per mezzo del gruppo di attuazione 46. La vibrazione della membrana 42 causa la generazione e la propagazione nell?aria delle onde acustiche 48; ci? avviene applicando una tensione di attuazione di tipo AC fra gli elettrodi 46b e 46c, e controllando cos? la deformazione meccanica dello strato piezoelettrico 46a. In dettaglio, il gruppo emettitore 36 ? controllato per avere la membrana 42 che vibra ad una prima frequenza di risonanza compresa esemplificativamente fra circa 100kHz e circa 1MHz. Le onde acustiche 48 di tipo stazionario deviano per effetto acustoforetico le traiettorie del particolato 34?, che transita nel condotto 24, verso il gruppo rilevamento PM 37. In particolare, la deviazione delle traiettorie del particolato 34? cresce al crescere delle dimensioni del particolato 34? (in altre parole, il particolato con un diametro equivalente maggiore viene maggiormente deflesso verso il gruppo rilevamento PM 37).
In uso, il gruppo rilevamento PM 37 ? sostanzialmente inerte rispetto alle onde acustiche 48; in altre parole, il gruppo rilevamento PM 37 ? progettato per vibrare (anche considerando l?eventuale contributo dato dal particolato 34? che aderisce) a seconde frequenze che sono diverse rispetto alla prima frequenza di risonanza del gruppo emettitore 36. In particolare, quando le onde acustiche 48, che sono generate dal gruppo emettitore 36 e che si propagano nell?aria presente nel condotto 24, incidono sulla membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37, una prima parte dell?energia delle onde acustiche 48 viene riflessa verso il gruppo emettitore 36 mentre una seconda parte si propaga come onde elastiche attraverso il gruppo rilevamento PM 37 (in dettaglio, nella rispettiva prima cavit? sepolta 40). Di conseguenza, il gruppo emettitore 36, il condotto 24 e il gruppo rilevamento PM 37 formano un risonatore acustico multistrato. Al fine di rilevarne la frequenza di risonanza (nel seguito chiamata seconda frequenza di risonanza), il gruppo rilevamento PM 37 viene posto in vibrazione in un intervallo prestabilito di seconde frequenze. In particolare, un segnale di ?chirp? (ad esempio avente frequenze variabili, nel tempo, fra circa 80 kHz e circa 120 kHz, e comunque in modo da comprendere in tale intervallo di frequenze la seconda frequenza di risonanza) viene fornito, come meglio descritto nel seguito, al gruppo rilevamento PM 37 al fine di causare la vibrazione della membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37. Tale vibrazione varia nel tempo in base al segnale di chirp: quando il segnale di chirp raggiunge la seconda frequenza di risonanza (che dipende dalla progettazione del gruppo rilevamento PM 37 e dal particolato 34? ad esso attaccato, se presente), la membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37 entra in risonanza. Di conseguenza, misurando la risposta in frequenza della vibrazione della membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37 ? possibile rilevare la seconda frequenza di risonanza. Paragonando poi la seconda frequenza di risonanza misurata e una frequenza di risonanza di riferimento (cio? la seconda frequenza di risonanza del gruppo rilevamento PM 37 in assenza di particolato 34?), ? possibile determinare la quantit? di particolato 34? sul gruppo rilevamento PM 37. In maggior dettaglio, valgono le relazioni con
dove ? la seconda frequenza di risonanza,
? la frequenza di risonanza di riferimento, ? la
massa di particolato 34? attaccato al gruppo rilevamento PM
37, ? una costante moltiplicativa dipendente dalla
struttura (es., geometria e materiali) del gruppo rilevamento PM 37 (ad esempio, ? nell?ordine di grandezza di 10<-5 >ng<-1 >o 10<-5 >pg<-1>), e ? la variazione della seconda frequenza di risonanza causata dal particolato 34? sul gruppo rilevamento PM 37. In maggior dettaglio, il segnale di chirp causa la vibrazione della membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37 che genera una deformazione elastica del gruppo di attuazione 46, che a sua volta causa la generazione di una corrente di rilevamento fra gli elettrodi 46b e 46c (infatti, il gruppo rilevamento PM 37 ? assimilabile, come circuito equivalente, ad un condensatore in parallelo ad un circuito RLC). Acquisendo la corrente di rilevamento, che ? indicativa della seconda frequenza di risonanza, ? dunque possibile ottenere informazioni riguardo la vibrazione della membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37. Ad esempio, la frequenza di risonanza di riferimento ? compresa fra 100 kHz e 1MHz (comunque ? diversa rispetto alla prima frequenza di rilevamento, e ad esempio una differenza fra la prima e la seconda frequenza di rilevamento ? maggiore di circa 50 kHz), e la seconda frequenza di risonanza pu? variare di circa 1% rispetto al valore della frequenza di risonanza di riferimento.
Inoltre, il gruppo rilevamento PM 37 pu? anche lavorare come attuatore per favorire il distaccamento del particolato 34? e dunque la pulizia del gruppo rilevamento PM 37. Nel seguito, tale modalit? operativa del gruppo rilevamento PM 37 viene anche chiamata modalit? di auto-pulizia del gruppo rilevamento PM 37 o del sensore di particolato 30. In particolare, nella modalit? di auto-pulizia, la membrana 42 viene posta in vibrazione per mezzo del gruppo di attuazione 46 in modo da favorire il distaccamento del particolato 34? dal gruppo rilevamento PM 37. Analogamente a quanto gi? descritto per il gruppo emettitore 36, la vibrazione della membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37 causa la generazione e la propagazione nell?aria di onde acustiche stazionarie; ci? avviene applicando una ulteriore tensione di attuazione di tipo AC fra gli elettrodi 46b e 46c, e controllando cos? la deformazione meccanica dello strato piezoelettrico 46a. In dettaglio, il gruppo rilevamento PM 37 ? controllato, in modalit? di auto-pulizia, per avere ampiezze di oscillazione della membrana 42 maggiori di quelle usate per il rilevamento del particolato 34? (es., circa 50 a 100 volte maggiori), e/o tramite segnali con forme d?onda non sinusoidali (es., segnali ad onda quadra o triangolare). L?utilit? di operare il gruppo rilevamento PM 37 in modalit? di auto-pulizia risiede principalmente nel fatto che, facendo vibrare la membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37, viene favorito e velocizzato il distacco del particolato 34? precedentemente attaccato a quest?ultimo, e quindi la pulizia del gruppo rilevamento PM 37. Di conseguenza, operando periodicamente il gruppo rilevamento PM 37 in modalit? di auto-pulizia (es., operando il gruppo rilevamento PM 37 in modalit? di autopulizia ogniqualvolta il gruppo rilevamento PM 37 ha operato per un periodo maggiore di un periodo soglia in modalit? di ricezione) ? possibile ripulire il gruppo rilevamento PM 37 dal particolato 34? precedentemente attaccatosi, ripristinando cos? periodicamente le propriet? meccaniche ed elettriche originali del gruppo rilevamento PM 37 ed evitando fenomeni di saturazione del particolato 34? sul gruppo rilevamento PM 37 e conseguenti misurazioni errate del particolato 34?.
Con riferimento nuovamente alla figura 1, si mostra che il dispositivo MEMS 20 comprende detti uno o pi? sensori di gas 32. In figura 1 ? esemplificativamente mostrato un solo sensore di gas 32 realizzato in corrispondenza della prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22. Tuttavia, risulta chiaro che il numero e la posizione dei sensori di gas 32 possono variare. Ad esempio, in modo non mostrato, il dispositivo MEMS 20 pu? comprendere due sensori di gas 32 realizzati in corrispondenza delle prime superfici 22a e 23a del primo e, rispettivamente, del secondo corpo semiconduttore 22 e 23, in modo da esser affacciati fra loro attraverso il condotto 24. Diversamente, il numero di sensori di gas 32 pu? anche essere maggiore di due.
Il sensore di gas 32 ? configurato per rilevare uno o pi? gas 34? presenti nell?aria che attraversa il condotto 24. Nel seguito viene descritto esemplificativamente il caso in cui il sensore di gas 32 ? progettato per rilevare un solo tipo di gas 34? (es., CO, CO2, NO, NO2). Tuttavia, quanto discusso nel seguito si applica in modo analogo al caso in cui il sensore di gas 32 ? progettato per rilevare contemporaneamente diversi tipi di gas 34?.
Le figure 3A e 3B mostrano il sensore di gas 32 secondo una forma di realizzazione di quest?ultimo.
In particolare, il sensore di gas 32 mostrato nelle figure 3A e 3B ? formato nel primo corpo semiconduttore 22 (comprendente il substrato 22? e lo strato di ossido 22?), su una seconda cavit? sepolta 53.
Un primo elemento scaldatore 52 (di materiale conduttivo, ad esempio di metallo quale platino o oro) si estende sullo strato di ossido 22? in modo da esser verticalmente sovrapposto alla seconda cavit? sepolta 53, e permette, quando attraversato da una corrente elettrica, di riscaldare il sensore di gas 32 per effetto Joule. In dettaglio, il primo elemento scaldatore 52 ? formato da una striscia 52? di metallo sagomata in modo da avere forma spiraleggiante, cos? da massimizzare il percorso che la corrente elettrica deve percorrere per attraversare il primo elemento scaldatore, massimizzando di conseguenza il riscaldamento fornito dal primo elemento scaldatore 52. Opzionalmente, il primo elemento scaldatore 52 comprende inoltre una prima e una seconda piazzola di scaldatore 52? unite a rispettive estremit? della striscia 52? che sono fra loro opposte rispetto alla striscia 52?; le piazzole di scaldatore 52? permettono la connessione elettrica con un modulo di interfaccia 102 dell?apparecchio 100 (il modulo di interfaccia 102 essendo esterno al dispositivo MEMS 20 ed atto a polarizzare il primo elemento scaldatore 52).
Uno strato di isolamento elettrico 54 (di materiale dielettrico quale Si3N4) si estende sul primo elemento scaldatore 52 e sulle porzioni della prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22 non coperte dal primo elemento scaldatore 52.
Inoltre, un gruppo di rilevamento di gas (nel seguito anche chiamato gruppo rilevamento gas) 56 si estende sullo strato di isolamento elettrico 54. Il gruppo rilevamento gas 56 comprende una prima piastra 56a e una seconda piastra 56b accoppiate fra loro capacitivamente grazie allo strato di isolamento elettrico 54; in altre parole, le piastre 56a e 56b formano, con lo strato di isolamento elettrico 54, un condensatore. Ad esempio, al fine di massimizzare l?accoppiamento capacitivo fra le piastre 56a e 56b, sia la prima piastra 56a che la seconda piastra 56b comprendono una rispettiva pluralit? di elettrodi, e gli elettrodi della prima piastra 56a sono interdigitati (?inter-digitated?) con gli elettrodi della seconda piastra 56b. Inoltre, il gruppo rilevamento gas 56 comprende uno strato di adesione gas 58 (ad esempio SnO) che si estende sulle piastre 56a e 56b e favorisce l?adesione del gas 34? al sensore di gas 32. Tale adesione ? selettiva grazie alla scelta del materiale dello strato di adesione gas 58 (scelta che ? basta su criteri di per s? noti), e dunque solo il gas 34? da rilevare aderisce e rimane incollato al gruppo rilevamento gas 56. Opzionalmente, il gruppo rilevamento gas 56 comprende inoltre una prima e una seconda piazzola di rilevamento 56? unite a rispettive estremit? della prima e, rispettivamente, della seconda piastra 56a e 56b, che sono fra loro opposte rispetto al gruppo rilevamento gas 56; le piazzole di rilevamento 56? permettono la connessione elettrica con il modulo di interfaccia 102 esterno al dispositivo MEMS 20 e atto ad acquisire una differenza di potenziale generata fra la prima e la seconda piastra 56a e 56b.
In uso, il sensore di gas 32 genera detta differenza di potenziale fra la prima e la seconda piastra 56a e 56b, che dipende dalla quantit? di gas 34? attaccato allo strato di adesione gas 58. Infatti, l?adesione del gas 34? al gruppo rilevamento gas 56 modifica le propriet? elettriche di quest?ultimo, e dunque causa una variazione della tensione fra le piastre 56a e 56b rispetto al caso in cui il gas 34? ? assente. Tale variazione cresce al crescere della quantit? di gas 34? attaccato allo strato di adesione gas 58: di conseguenza, acquisendo la tensione generata fra le piastre 56a e 56b ? possibile ottenere informazioni riguardo la quantit? di gas 34? nel condotto 24.
Inoltre, in uso, il primo elemento scaldatore 52 ? polarizzato in modo da farlo riscaldare per effetto Joule, generando cos? un innalzamento della temperatura nel sensore di gas 32 (in dettaglio, nello strato di isolamento elettrico 54 e nel gruppo rilevamento gas 56) per noti effetti di trasferimento di calore. La temperatura del gruppo rilevamento gas 56 influenza l?assorbimento del gas 34?: ? dunque possibile massimizzare la quantit? di gas 34? sul gruppo rilevamento gas 56 scaldando quest?ultimo, tramite il primo elemento scaldatore 52, ad una temperatura obiettivo a cui l?assorbimento del gas 34? ? massimo. Tale temperatura obiettivo ? propria di ciascun gas ed ? di per s? nota.
Inoltre, ? stato verificato che, utilizzando uno stesso strato di adesione gas 58, ? possibile far aderire (e dunque rilevarne la quantit? tramite il gruppo rilevamento gas 56) diversi tipi di gas 34? al variare della temperatura del gruppo rilevamento gas 56. In altre parole, ? ad esempio possibile comandare il primo elemento scaldatore 52 in modo da portare il gruppo rilevamento gas 56 in un primo intervallo di temperature a cui lo strato di adesione gas 58 fa aderire un primo tipo di gas 34? e, successivamente, ? possibile comandare diversamente il primo elemento scaldatore 52 in modo da portare il gruppo rilevamento gas 56 in un secondo intervallo di temperature (es., maggiori delle temperature del primo intervallo) a cui lo strato di adesione gas 58 fa aderire un secondo tipo di gas 34?. In questo modo lo stesso sensore di gas 32 pu? rilevare diverse tipologie di gas 34?.
Con riferimento nuovamente alla figura 1, opzionalmente il dispositivo MEMS 20 comprende inoltre almeno un sensore di flusso d?aria (anche chiamato nel seguito sensore d?aria) 60 che ? configurato per misurare il flusso d?aria che attraversa il condotto 24. In figura 1 ? esemplificativamente mostrato un solo sensore d?aria 60 realizzato in corrispondenza della prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22. Tuttavia, risulta chiaro che il numero e la posizione dei sensori d?aria 60 possono variare. Ad esempio, in modo non mostrato, il dispositivo MEMS 20 pu? comprendere due sensori d?aria 60 realizzati in corrispondenza delle prime superfici 22a e 23a del primo e, rispettivamente, del secondo corpo semiconduttore 22 e 23, in modo da esser affacciati fra loro attraverso il condotto 24. Diversamente, il numero di sensori d?aria 60 pu? anche essere maggiore di due.
Il sensore d?aria 60 ? di tipo noto.
Secondo una forma di realizzazione mostrata in figura 4A, il sensore d?aria 60 comprende una o pi? strutture sospese (in dettaglio, cantilevers) 62. Ciascuna struttura sospesa 62 ? incurvata verso il condotto 24, comprende uno strato (non mostrato) di materiale piezoelettrico o piezoresistivo ed ? configurata per generare un segnale elettrico (oppure modificare la propria resistenza elettrica) quando il flusso d?aria nel condotto 24 ne induce una deformazione elastica rispetto ad una propria posizione di equilibrio. Tale deformazione (e dunque il segnale elettrico generato o la variazione di resistenza) ? proporzionale alla forza applicata alla struttura sospesa 62 da parte dell?aria che attraversa il condotto 24. Ad esempio e in modo non mostrato, il sensore d?aria 60 comprende una cavit? 64 realizzata nel primo corpo semiconduttore 22 e affacciata alla prima superficie 22a (es., avente forma poligonale nel piano XY, ad esempio forma quadrata), e quattro cantilever 62 sospesi su tale cavit? 64 e accoppiati a rispettive superfici laterali della cavit? 64. Ciascun cantilever 62 presenta una prima ed una seconda estremit? 62a e 62b opposte fra loro, ? fissato al primo corpo semiconduttore 22 tramite la propria prima estremit? 62a ed ha la propria seconda estremit? 62b libera di oscillare. In condizione di risposo del cantilever 62 (cio? in assenza di forze applicate al cantilever 62 da parte dell?aria nel condotto 24), la prima estremit? 62a del cantilever 62 ? in piano con la prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22 mentre la seconda estremit? 62b del cantilever 62 ? a distanza, lungo l?asse Z, rispetto alla prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22 e si estende nel condotto 24. Di conseguenza, ciascun cantilever 62 protrude nel condotto 24 verso il secondo corpo semiconduttore 23. In uso, quando ? presente un flusso d?aria nel condotto 24 (ad esempio avente direzione principale di propagazione parallela all?asse X), i cantilever 62 opposti fra loro rispetto alla cavit? 64 subiscono forze, generate dal flusso d?aria, opposte fra loro che ne causano rispettive deformazioni elastiche (un cantilever 62 viene deflesso verso il primo corpo semiconduttore 22 e l?altro cantilever 62 viene deflesso verso il secondo corpo semiconduttore 23) che inducono a loro volta la generazione di rispettivi segnali elettrici (nel caso in cui i cantilever 62 comprendono lo strato di materiale piezoelettrico) o di variazioni di resistenza elettrica (nel caso in cui i cantilever 62 comprendono lo strato di materiale piezoresistivo) che sono rilevabili, ad esempio in modalit? differenziale.
Secondo una diversa forma di realizzazione mostrata in figura 4B, il sensore d?aria 60 comprende un secondo elemento scaldatore 67 e due termopile (?thermopiles?) 68 affacciate a lati del secondo elemento scaldatore 67 che sono opposti fra loro lungo la direzione principale di propagazione dell?aria nel condotto 24 (qui all?asse X), e ad esempio equi-distanziate dal secondo elemento scaldatore 67. Ad esempio, il secondo elemento scaldatore 67 e le termopile 68 sono sospese su una ulteriore cavit? 66 realizzata nel primo corpo semiconduttore 22 e affacciata alla prima superficie 22a. In uso, quando non ? presente un flusso d?aria nel condotto 24, il calore generato dal secondo elemento scaldatore 67 viene rilevato dalle termopile 68 in modo simmetrico (cio? entrambe le termopile 68 rilevano la stessa quantit? di calore generato dal secondo elemento scaldatore 67); quando invece ? presente un flusso d?aria nel condotto 24, il calore generato dal secondo elemento scaldatore 67 viene rilevato dalle termopile 68 in modo asimmetrico (cio? le termopile 68 rilevano quantit? di calore diverse fra loro, poich? il flusso d?aria nel condotto 24 causa, per noti effetti termici, un trasferimento di calore maggiore alla termopila 68 successiva al secondo elemento scaldatore 67 lungo la direzione principale di propagazione dell?aria rispetto che alla termopila 68 precedente al secondo elemento scaldatore 67 lungo la direzione principale di propagazione dell?aria). Le termopile 68 generano dunque rispettivi segnali elettrici in funzione del calore rilevato, e che sono indicativi del flusso d?aria nel condotto 24.
La figura 5 mostra il dispositivo MEMS 20, secondo una forma di realizzazione dello stesso. Inoltre, le figure 6A e 6B mostrano le prime superfici 22a e 23a del primo e, rispettivamente, del secondo corpo semiconduttore 22 e 23 dello stesso dispositivo MEMS 20. Nella forma di realizzazione delle figure 5, 6A, 6B, dispositivo MEMS 20 comprende esemplificativamente anche un sensore di gas 32 aggiuntivo e un sensore d?aria 60 aggiuntivo che sono presenti nel secondo corpo semiconduttore 23 (tuttavia essi sono opzionali) e sono ad esempio affacciati, rispettivamente, al sensore di gas 32 e al sensore d?aria 60 nel primo corpo semiconduttore 22.
In particolare, le prime superfici 22a e 23a distano fra loro lungo l?asse Z di una prima distanza d1. Secondo un aspetto della presente invenzione, la prima distanza d1 ? circa pari ad un quarto della lunghezza d?onda alla quale si propagano le onde acustiche 48 emesse dal gruppo emettitore (cio? d1=?/4, dove ? ? la lunghezza d?onda delle onde acustiche 48). Ci? permette quindi al gruppo emettitore 36, al condotto 24 e al gruppo rilevamento PM 37 (quindi alle relative porzioni del primo e del secondo corpo semiconduttore 22 e 23) di formare il risonatore acustico, come detto precedentemente. In questo modo, la pressione acustica esercitata dalle onde acustiche 48 nel condotto 24 ? minima in corrispondenza della prima superficie 23a del secondo corpo semiconduttore 23, e ci? favorisce l?aggregazione del particolato 34? in corrispondenza del gruppo rilevamento PM 37. Ad esempio, la lunghezza d?onda ? pu? esser pari a circa 3.4 mm e la prima distanza d1 pu? esser pari a circa 860 ?m.
Con riferimento alla figura 5, il primo e il secondo gruppo spaziatore 26a e 26b formano rispettive pareti laterali del condotto 24, mentre il primo e il secondo corpo semiconduttore 22 e 23 formano una parete inferiore e, rispettivamente, una parete superiore del condotto 24.
Il sensore di particolato 30, il sensore di gas 32 e, se presente, il sensore d?aria 60 sono affacciati al condotto 24 cos? da rilevare le rispettive informazioni riguardo l?aria presente nel condotto 24. Secondo un esempio non limitativo (ad esempio in cui l?aria entra nel condotto 24 attraverso la prima apertura 24a ed esce dal condotto 24 attraverso la seconda apertura 24b), il sensore di particolato 30, il sensore d?aria 60 (se presente) e il sensore di gas 32 si estendono in successione fra loro andando dalla prima apertura 24a alla seconda apertura 24b.
Opzionalmente, la prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22 presenta inoltre prime piazzole (?pads?) 27 elettricamente accoppiate in modo non mostrato (es. tramite vie conduttive estendentisi nel primo corpo semiconduttore 22 o sulla prima superficie 22a) al gruppo emettitore 36, al sensore d?aria 60 (se presente) e al sensore di gas 32 per il collegamento elettrico di questi con il modulo di interfaccia 102 esterno al dispositivo MEMS 20, che ? configurato per polarizzare il gruppo emettitore 36, il sensore d?aria 60 (se presente) e il sensore di gas 32 e/o per rilevarne i segnali in uscita. Inoltre, la prima superficie 23a del secondo corpo semiconduttore 23 presenta inoltre seconde piazzole 29 (figura 6B) elettricamente accoppiate in modo non mostrato (es. tramite vie conduttive estendentisi nel secondo corpo semiconduttore 23 o sulla prima superficie 23a) al gruppo rilevamento PM 37, al sensore d?aria 60 (se presente nel secondo corpo semiconduttore 23) e al sensore di gas 32 (se presente nel secondo corpo semiconduttore 23) per il collegamento elettrico di questi con il modulo di interfaccia 102 esterno al dispositivo MEMS 20, che ? configurato per polarizzare il gruppo rilevamento PM 37, il sensore d?aria 60 e il sensore di gas 32 (se presenti) e/o per rilevarne i segnali in uscita.
In maggior dettaglio, le prime piazzole 27 si estendono in una regione della prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22 che ? esterna al condotto 24 (cio? non ? affacciata al condotto 24), cos? da semplificarne il contatto elettrico con il modulo di interfaccia 102. Analogamente, le seconde piazzole 29 si estendono in una regione della prima superficie 23a del secondo corpo semiconduttore 23 che ? esterna al condotto 24 (cio? non ? affacciata al condotto 24), cos? da semplificarne il contatto elettrico con il modulo di interfaccia 102.
La figura 7 mostra il dispositivo MEMS 20, secondo una diversa forma di realizzazione dello stesso. Inoltre, le figure 8A e 8B mostrano le prime superfici 22a e 23a del primo e, rispettivamente, del secondo corpo semiconduttore 22 e 23 dello stesso dispositivo MEMS 20.
Il dispositivo MEMS 20 delle figure 7, 8A e 8B ? analogo al dispositivo MEMS di figura 5, tuttavia sono presenti tre gruppi spaziatori 26 (il primo, il secondo e un terzo gruppo spaziatore 26a, 26b e 26c) che definiscono due condotti 24 (nel seguito chiamati primo e secondo condotto 24? e 24?) separati fra loro da uno di tali gruppi spaziatori 26 (es., il primo gruppo spaziatore 26a, che ? interposto lungo l?asse Y fra il secondo e il terzo gruppo spaziatore 26b e 26c). Di conseguenza, il primo e il secondo condotto 24? e 24? sono fluidicamente in parallelo fra loro e, pi? in dettaglio, sono fluidicamente isolati fra loro (cio? i due condotti 24? e 24? non condividono fra loro l?aria presente in ciascuno di essi).
In tale forma di realizzazione, il sensore di particolato 30 si estende nel primo condotto 24? mentre il sensore d?aria 60 (se presente) e il sensore di gas 32 si estendono nel secondo condotto 24?. Tuttavia, tale disposizione ? esemplificativa e non limitante: ad esempio, il sensore d?aria 60 pu? estendersi nel primo condotto 24? invece che nel secondo condotto 24?.
La figura 1A mostra l?apparecchio 100 comprendente il dispositivo MEMS 20. Nel seguito viene descritto esemplificativamente il caso in cui il dispositivo MEMS 20 ? quello mostrato in figura 5; tuttavia, tale discussione si applica analogamente anche alle altre forme di realizzazione del dispositivo MEMS 20.
In particolare, l?apparecchio 100 comprende: il modulo di interfaccia 102 accoppiato elettricamente al dispositivo MEMS 20 per polarizzare quest?ultimo e per acquisirne i segnali di uscita; un?unit? di controllo 104 accoppiata operativamente (es., elettricamente) al modulo di interfaccia 103 per controllare quest?ultimo, e dunque per controllare il dispositivo MEMS 20; un canale di areazione 108 (opzionale) accoppiato alla prima e alla seconda apertura 24a e 24b del condotto 24 e configurato per mettere in comunicazione fluidica il dispositivo MEMS 20 con un ambiente esterno all?apparecchio 100; e un modulo di pompaggio 106 accoppiato pneumaticamente al condotto 24 del dispositivo MEMS 20 (in dettaglio, estendentesi nel canale di areazione 108) ed accoppiato operativamente (es., elettricamente) all?unit? di controllo 104 in modo da esser controllabile da quest?ultima per causare un flusso d?aria attraverso il canale di areazione 108, e dunque attraverso il condotto 24 del dispositivo MEMS 20. Ad esempio, l?unit? di controllo 104 e il modulo di interfaccia 102 formano un modulo di controllo (non mostrato) dell?apparecchio 100 che, in uso, comanda il dispositivo MEMS 20 e riceve i segnali generati in uscita da quest?ultimo.
In uso, il modulo di pompaggio 106 (realizzato anch?esso in tecnologia MEMS, e ad esempio comprendente una micropompa piezoelettrica o un micro-fan) ? controllato dall?unit? di controllo 104 per pompare aria attraverso il canale di areazione 108 (tra un?apertura di entrata 108a e un?apertura di uscita 108b del canale di areazione 108, che sono affacciate verso l?esterno dell?apparecchio 100), generando cos? il flusso d?aria che, a partire dall?ambiente esterno all?apparecchio 100, attraversa il condotto 24 passando dalla prima apertura 24a alla seconda apertura 24b. Di conseguenza, l?aria che fluisce nel condotto 24 vi scorre poich? ? pompata attivamente da parte del modulo di pompaggio 106.
Inoltre, il modulo di interfaccia 102 ? controllato dall?unit? di controllo 104 per polarizzare il sensore di particolato 30 (cio? per polarizzare il gruppo emettitore 36 oppure, quando il sensore di particolato 30 ? operato nella modalit? di auto-pulizia, per polarizzare il gruppo rilevamento PM 37), il sensore d?aria 60 e il sensore di gas 32, e per acquisire i segnali elettrici generati dal gruppo rilevamento PM 37, dal sensore d?aria 60 e dal sensore di gas 32 indicativi della qualit? dell?aria nel condotto 24. In maggior dettaglio, il modulo di interfaccia 102 processa inoltre, in modo noto, i segnali ricevuti dal sensore di particolato 30, dal sensore d?aria 60 e dal sensore di gas 32 (es., filtrandoli in frequenza, amplificandoli, convertendoli in rispettivi segnali digitali).
L?unit? di controllo 104 riceve dal modulo di interfaccia 102 i segnali provenienti dal sensore di particolato 30, dal sensore d?aria 60 e dal sensore di gas 32 e li elabora, in modo noto, per ottenere parametri indicativi della qualit? dell?aria dell?ambiente in cui l?apparecchio 100 ? posto (in dettaglio, concentrazione nell?aria di particolato e di gas di interesse). In particolare, l?informazione sul flusso d?aria ottenuta tramite il sensore d?aria 60 permette di calcolare il volume di aria campionata che scorre nel condotto 24, e dunque di avere informazioni relative alle concentrazioni nell?aria di particolato e di gas di interesse (e non solo valori assoluti di particolato e di gas di interesse).
Con riferimento alle figure 9A-9I, viene ora descritto un processo di fabbricazione del gruppo emettitore 36 e del sensore di gas 32 (nel seguito si considera la forma di realizzazione di quest?ultimo mostrata nelle figure 3A e 3B) a partire da una stessa fetta (?wafer?, indicata in figura 9A con il riferimento 140). Per semplicit? di descrizione non vengono discusse nel seguito le fasi di fabbricazione del sensore d?aria 60, che sono note. Inoltre, il metodo di fabbricazione qui riportato ? descritto con riferimento al primo corpo semiconduttore 22 del dispositivo MEMS 20 di figura 5; tuttavia, tali fasi di fabbricazione sono analogamente applicabili per fabbricare il secondo corpo semiconduttore 23 del dispositivo MEMS 20 (cio? per fabbricare il gruppo rilevamento PM 37), nonch? per realizzare il dispositivo MEMS 20 secondo le altre forme di realizzazione precedentemente discusse.
In particolare, la figura 9A mostra una prima fetta 140 di materiale semiconduttore (in particolare, silicio), avente una superficie superiore 140a e una superficie inferiore 140b opposte fra loro lungo l?asse Z.
Con riferimento alla figura 9B, la prima e la seconda cavit? sepolta 40 e 53 sono realizzate nella prima fetta 140, lateralmente fra loro e in corrispondenza della superficie superiore 140a della prima fetta 140.
Secondo un aspetto della presente invenzione, esemplificativo e non limitante, le cavit? sepolte 40 e 53 sono realizzate tramite il noto processo ?Vensens? (anche chiamato processo ?Venice?). In dettaglio, trincee di lavoro (non mostrate) sono formate in regioni della prima fetta 140 destinate a diventare le cavit? sepolte 40 e 53. In ciascuna di tali regioni della prima fetta 140 viene formato, ad esempio usando noti passaggi litografici e di attacco chimico selettivo, un gruppo di trincee di lavoro che delimitano una rispettiva pluralit? di pilastri (non mostrati) di materiale semiconduttore. Mediante una fase di crescita epitassiale, uno strato epitassiale (non mostrato) ? cresciuto sulla superficie della prima fetta 140 (che quindi aumenta di spessore), alla quale sono affacciate le trincee di lavoro. Vengono quindi eseguite una o pi? fasi di trattamento termico (?annealing?) della prima fetta 140, ad esempio in ambiente riducente, ad esempio in atmosfera di idrogeno, a temperature elevate, ad esempio superiori a 1000?C. Tali una o pi? fasi di trattamento termico provocano una migrazione degli atomi di semiconduttore, qui silicio, che tendono a portarsi in una posizione di minore energia: di conseguenza, gli atomi di semiconduttore dei pilastri migrano completamente, formando le cavit? sepolte 40 e 53. Le cavit? sepolte 40 e 53 sono dunque delimitate superiormente da uno strato di semiconduttore, comprendente in parte da atomi cresciuti epitassialmente e in parte da atomi migrati, il quale forma uno strato di chiusura della prima fetta 140.
Con riferimento alla figura 9C, la prima fetta 140 subisce una fase (opzionale) di ossidazione termica (es., di tipo umida, ?wet?, eseguita a temperature comprese fra 600?C e 1200?C) per formare lo strato di ossido 22? (qui SiO2, e nel seguito anche chiamato strato superiore di ossido 22?) sulla superficie superiore 140a della prima fetta 140, e uno strato inferiore di ossido 142 (qui di SiO2) sulla superficie inferiore 140b della prima fetta 140. In particolare, la prima fetta 140, processata come discusso, forma il substrato 22? che, assieme allo strato superiore di ossido 22?, forma il primo corpo semiconduttore 22. Inoltre, la porzione del primo corpo semiconduttore 22 (cio? del substrato 22? e dello strato superiore di ossido 22?) sospesa sulla prima cavit? sepolta 40 forma il corpo di membrana 44 del gruppo emettitore 36.
Inoltre, nella figura 9C, uno strato conduttivo 144 di materiale metallico (es., oro o platino) viene formato sullo strato superiore di ossido 22?, ad esempio tramite deposizione fisica (es., tecniche di sputtering o di evaporazione) o deposizione chimica (es., deposizione chimica da vapore, ?Chemical Vapor Deposition?, CVD).
Con riferimento alla figura 9D, il primo elettrodo 46b del gruppo di attuazione 46 e il primo elemento scaldatore 52 del sensore di gas 32 sono formati a partire dallo strato conduttivo 144. In particolare, lo strato conduttivo 144 ? processato, ad esempio usando noti passaggi litografici e di attacco chimico selettivo, al fine di rimuovere selettivamente prime porzioni di esso, lasciando invece seconde porzioni di esso (laterali alle prime porzioni) che formano il primo elettrodo 46b e il primo elemento scaldatore 52.
Inoltre, in figura 9D sono anche formati, in successione fra loro, lo strato piezoelettrico 46a sul primo elettrodo 46b (ad esempio, tramite deposizione, es. con tecniche di spin coating o sputtering, di materiale piezoelettrico quale PZT), e il secondo elettrodo 46c del gruppo di attuazione 46 sullo strato piezoelettrico 46a (ad esempio tramite deposizione fisica, es. con tecniche di sputtering o di evaporazione, o deposizione chimica, es. con CVD, di materiale metallico, es. oro o platino). In questo modo viene formato il gruppo di attuazione 46 del gruppo emettitore 36.
Con riferimento alla figura 9E, opzionalmente, viene formato uno strato di passivazione 146 (ad esempio tramite deposizione, es. con tecniche di sputtering, di uno o pi? materiali isolanti, quale Si3N4) sul gruppo di attuazione 46 e sul primo elemento scaldatore 52. La porzione dello strato di passivazione 146 estendentesi sul primo elemento scaldatore 52 forma lo strato di isolamento elettrico 54 precedentemente descritto. In particolare, lo strato di passivazione 146 espone delle regioni di contatto elettrico del primo elettrodo 46b, del secondo elettrodo 46c e del primo elemento scaldatore 52, al fine di consentirne il contatto elettrico con l?esterno (in dettaglio, con il modulo di interfaccia 102).
Inoltre, opzionalmente, in figura 9E vengono formati elementi di contatto 148 di materiale conduttivo (es., di metallo quale Ti) in corrispondenza di dette regioni di contatto elettrico che sono esposte dallo strato di passivazione 146. Gli elementi di contatto 148 sono accoppiati elettricamente, rispettivamente, al primo elettrodo 46b, al secondo elettrodo 46c e al primo elemento scaldatore 52. In modo non mostrato n? discusso in dettaglio, gli elementi di contatto 148 saranno collegabili elettricamente al modulo di interfaccia 102 (es., sono collegati elettricamente tramite rispettive vie conduttive alle prime piazzole 27, che a loro volta verranno collegate elettricamente, ad esempio tramite tecniche di wire bonding, al modulo di interfaccia 102).
Inoltre, opzionalmente, un primo foro di comunicazione fluidica 150 viene realizzato (ad esempio tramite noti passaggi litografici e di attacco chimico selettivo) attraverso l?intero corpo di membrana 44 in modo da consentire l?ingresso d?aria nella prima cavit? sepolta 40. Tuttavia, sebbene il primo foro di comunicazione fluidica 150 sia esemplificativamente mostrato in figura 9E, esso pu? esser assente nelle soluzioni mostrate nelle figure 9H e 9I discusse nel seguito.
Con riferimento alla figura 9F, il gruppo rilevamento gas 56 viene realizzato sullo strato di isolamento elettrico 54. In particolare, la prima e la seconda piastra 56a e 56b vengono formate sullo strato di isolamento elettrico 54 (ad esempio tramite deposizione fisica, es. con tecniche di sputtering o di evaporazione, o deposizione chimica, es. con CVD, di materiale metallico, es. oro o platino) e, successivamente, lo strato di adesione gas 58 ? formato (ad esempio tramite deposizione di SnO) sulla prima e sulla seconda piastra 56a e 56b.
Con riferimento alla figura 9G, lo strato inferiore di ossido 142 viene rimosso, ad esempio tramite attacco umido.
Inoltre, secondo un aspetto della presente invenzione, la seconda superficie 22b del primo corpo semiconduttore 22 (cio? la superficie inferiore 140b della prima fetta 140) subisce un attacco (es., umido) al fine di rimuovere il semiconduttore presente sotto la seconda cavit? sepolta 53. In altre parole, tramite un processo di ?back-etching?, si realizza una trincea che, a partire dalla seconda superficie 22b del primo corpo semiconduttore 22, raggiunge la seconda cavit? sepolta 53. Di conseguenza, la seconda cavit? sepolta 53 ? in comunicazione fluidica con l?esterno del primo corpo semiconduttore 22, e l?aria pu? entrare nella seconda cavit? sepolta 53. Ci? massimizza la dissipazione termica del calore generato dal sensore di gas 32, migliorandone le prestazioni elettriche e l?affidabilit?.
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione mostrato nella figura 9H, l?attacco discusso in figura 9G alla seconda superficie 22b del primo corpo semiconduttore 22 ? eseguito in modo da rimuovere sia il semiconduttore presente sotto la seconda cavit? 53 che quello presente sotto la prima cavit? sepolta 40. In altre parole, in aggiunta a quanto discusso in figura 9G si realizza una ulteriore trincea che, a partire dalla seconda superficie 22b del primo corpo semiconduttore 22, raggiunge la prima cavit? sepolta 40. Di conseguenza, la prima cavit? sepolta 40 ? in comunicazione fluidica con l?esterno del primo corpo semiconduttore 22, e l?aria pu? entrare nella prima cavit? sepolta 40. In questo caso, il primo foro di comunicazione fluidica 150 pu? esser assente.
Secondo un diverso aspetto della presente invenzione, mostrato nella figura 9I e alternativo a quanto descritto con riferimento alla figura 9H, viene eseguito l?attacco discusso in figura 9G e inoltre si forma un secondo foro di comunicazione fluidica 152 che, a partire dalla seconda superficie 22b del primo corpo semiconduttore 22, raggiunge la prima cavit? sepolta 40 mettendola in comunicazione fluidica con l?esterno del primo corpo semiconduttore 22 (cio? l?aria pu? entrare nella prima cavit? sepolta 40). In altre parole, in aggiunta a quanto discusso in figura 9G si realizza (ad esempio tramite noti passaggi litografici e di attacco chimico selettivo) il secondo foro di comunicazione fluidica 152 che, a partire dalla seconda superficie 22b del primo corpo semiconduttore 22, attraversa il substrato 22? fino a raggiungere la prima cavit? sepolta 40. Inoltre, il secondo foro di comunicazione fluidica 152 generalmente non ? (tuttavia pu? essere) verticalmente sovrapposto (cio? lungo l?asse Z) alla membrana 42 del gruppo emettitore 36; diversamente, il secondo foro di comunicazione fluidica 152 non ? mai verticalmente sovrapposto alla membrana 42 del gruppo rilevamento PM 37. Quando il secondo foro di comunicazione fluidica 152 ? presente, il primo foro di comunicazione fluidica 150 pu? esser assente (come mostrato esemplificativamente nella figura 9I).
Il processo di fabbricazione descritto con riferimento alle figure 9A-9I permette di realizzare il gruppo emettitore 36 e il sensore di gas 32.
In maniera analoga ? possibile realizzare il gruppo rilevamento PM 37 ed, eventualmente, l?ulteriore sensore di gas 32 nel secondo corpo semiconduttore 23. In particolare, al fine di realizzare il gruppo rilevamento PM 37, in aggiunta a quanto precedentemente descritto si pu? formare inoltre lo strato di adesione PM 49 (quando presente) sul gruppo di attuazione 46. In dettaglio, lo strato di adesione PM 49 viene realizzato sullo strato di passivazione 146, ad esempio tramite deposizione (es., spin coating) di materiale polimerico quale photoresist.
Secondo una diversa forma di realizzazione del processo di fabbricazione (non mostrata), il gruppo emettitore 36 e il sensore di gas 32 sono realizzati in tecnologia SOI (?silicon on insulator?).
In particolare, un primo strato di ossido viene formato (es., tramite ossidazione termica) su una prima superficie di una prima fetta di materiale semiconduttore (silicio). Un attacco viene eseguito sulla prima fetta, in corrispondenza di una prima e di una seconda regione del primo strato di ossido, al fine di formare una prima e, rispettivamente, una seconda trincea (destinate a diventare la prima e la seconda cavit? sepolta 40 e 53) che attraversano il primo strato di ossido e si estendono in parte nella prima fetta. Un secondo strato di ossido viene formato (es., tramite ossidazione termica) su una prima superficie di una seconda fetta di materiale semiconduttore (silicio), che ha una seconda superficie opposta alla prima superficie. La prima e la seconda fetta vengono accoppiate fra loro (in dettaglio fissate fra loro, ad esempio tramite tecniche di ?wafer bonding?) a formare un unico corpo semiconduttore, in modo tale per cui il primo e il secondo strato di ossido sono a contatto fra loro. Questo permette di formare la prima e la seconda cavit? sepolta 40 e 53. In dettaglio, l?incollaggio viene eseguito circa ad atmosfera ambiente (cio? non in condizioni di vuoto), cos? che dell?aria rimanga intrappolata nella prima e nella seconda cavit? sepolta 40 e 53. Seguono poi fasi analoghe a quelle precedentemente descritte per formare il gruppo emettitore 36 e il sensore di gas 32 sulla seconda superficie della seconda fetta, e in maggior dettaglio in corrispondenza della prima e, rispettivamente, della seconda cavit? sepolta 40 e 53.
Le figure 10A-10G mostrano il processo di fabbricazione del dispositivo MEMS 20. Nel seguito viene descritto il processo di fabbricazione del dispositivo MEMS 20 mostrato nella figura 5; tuttavia le seguenti fasi si applicano in modo analogo anche al caso delle altre forme di realizzazione del dispositivo MEMS 20 precedentemente descritte (es., il dispositivo MEMS 20 di figura 7).
La figura 10A mostra una fetta spaziatrice 160 di materiale semiconduttore (es., silicio) avente una prima e una seconda superficie 160a e 160b opposte fra loro lungo l?asse Z.
Con riferimento alla figura 10B, un primo strato di ossido 162 (es., di SiO2) ? formato (es., tramite ossidazione termica) sulla prima superficie 160a della fetta spaziatrice 160, e un secondo strato di ossido 164 (es., di SiO2) ? formato (es., tramite ossidazione termica) sulla seconda superficie 160b della fetta spaziatrice 160.
Con riferimento alla figura 10C, una fetta di trasporto 166 di materiale semiconduttore (es., silicio) viene accoppiata temporaneamente alla fetta spaziatrice 160 tramite tecniche di wafer bonding. In particolare, la fetta di trasporto 166 presenta una prima e una seconda superficie 166a e 166b opposte fra loro lungo l?asse Z, ed ? incollata al primo strato di ossido 162 tramite uno strato di incollaggio temporaneo 168 (ad esempio di photoresist deposto per spin coating) che si estende a contatto con la prima superficie 166a della fetta di trasporto 166.
Con riferimento alla figura 10D, il secondo strato di ossido 164 viene rimosso (es., tramite attacco selettivo) e un attacco (es., di tipo umido) viene eseguito in corrispondenza di una prima regione della seconda superficie 160b della fetta spaziatrice 160, in modo da formare una cavit? di condotto (destinata a formare il condotto 24, e dunque indicata con lo stesso numero di riferimento) che si estende attraverso tutta la fetta spaziatrice 160 fino ad arrivare al primo strato di ossido 162. Seconde regioni della seconda superficie 160b della fetta spaziatrice 160, laterali rispetto alla prima regione della seconda superficie 160b della fetta spaziatrice 160, non sono esposte all?attacco. Di conseguenza, la fetta spaziatrice 160 non viene attaccata in corrispondenza di tali seconde regioni, e tali porzioni non attaccate della fetta spaziatrice 160 formano i rispettivi gruppi spaziatori 26 (in dettaglio, il primo e il secondo gruppo spaziatore 26a e 26b), che sono dunque separati fra loro dalla cavit? di condotto 24. In dettaglio, ciascuno dei gruppi spaziatori 26 presenta una rispettiva prima superficie (corrispondente a parte della prima superficie 160a della fetta spaziatrice 160, e dunque indicata con lo stesso numero di riferimento) e una rispettiva seconda superficie (corrispondente a parte della seconda superficie 160b della fetta spaziatrice 160, e dunque indicata con lo stesso numero di riferimento) opposte fra loro lungo l?asse Z, il primo strato di ossido 162 estendendosi sulle prime superfici 160a dei gruppi spaziatori 26.
Con riferimento alla figura 10E, il primo corpo semiconduttore 22 viene accoppiato ai gruppi spaziatori 26, tramite tecniche di wafer bonding. In dettaglio, il primo corpo semiconduttore 22 (comprendente il gruppo emettitore 36, il sensore di gas 32 e, opzionalmente, il sensore d?aria 60, realizzati tramite le fasi di fabbricazione discusse con riferimento alle figure 9A-9I) ? incollato, in corrispondenza della propria prima superficie 22a, alle seconde superfici 160b dei gruppi spaziatori 26. Tale incollaggio avviene, ad esempio, per mezzo di un primo strato di incollaggio 170 (ad esempio di photoresist quale SU-8) che si estende fra le seconde superfici 160b dei gruppi spaziatori 26 e la prima superficie 22a del primo corpo semiconduttore 22.
Con riferimento alla figura 10F, la fetta di trasporto 166 viene rimossa. In dettaglio, l?incollaggio temporaneo fra la fetta di trasporto 166 e il primo strato di ossido 162 viene dissolto, ad esempio rimuovendo (es., attaccando o riscaldando) lo strato di incollaggio temporaneo 168, causando quindi il distaccamento reciproco della fetta di trasporto 166 dai gruppi spaziatori 26. Inoltre, il primo strato di ossido 162 viene rimosso, ad esempio tramite attacco (es., umido), in modo da scoprire le prime superfici 160a dei gruppi spaziatori 26.
Con riferimento alla figura 10G, il secondo corpo semiconduttore 23 viene accoppiato ai gruppi spaziatori 26, da parte opposta dei gruppi spaziatori 26 rispetto al primo corpo semiconduttore 22, tramite tecniche di wafer bonding. In dettaglio, il secondo corpo semiconduttore 23 (comprendente il gruppo rilevamento PM 36 e, opzionalmente, il sensore di gas 32 e/o il sensore d?aria 60, realizzati tramite le fasi di fabbricazione precedentemente discusse) ? incollato, in corrispondenza della propria prima superficie 23a, alle prime superfici 160a dei gruppi spaziatori 26. Tale incollaggio avviene, ad esempio, per mezzo di un secondo strato di incollaggio 172 (ad esempio di photoresist quale SU-8) che si estende fra le prime superfici 160a dei gruppi spaziatori 26 e la prima superficie 23a del secondo corpo semiconduttore 23.
In questo modo viene formato il condotto 24 e, pi? in generale, il dispositivo MEMS 20.
Da un esame delle caratteristiche del trovato realizzato secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che esso consente di ottenere.
Il dispositivo MEMS 20 ? un dispositivo integrato, in tecnologia MEMS, che presenta ridotte dimensioni, ridotti consumi energetici e permette il simultaneo rilevamento di pi? parametri indicativi della qualit? dell?aria (in dettaglio, della concentrazione di particolato 34? e di uno o pi? gas 34? da monitorare nell?aria).
Di conseguenza, il dispositivo MEMS 20 presenta un basso costo di fabbricazione ed ? facilmente inseribile in diversi apparecchi 100, e ci? ne consente una maggiore diffusione rispetto ai dispositivi e apparecchi noti. Inoltre, l?utilizzo ? semplice e la manutenzione ? automatica (modalit? di auto-pulizia del sensore di particolato 30).
Di conseguenza, qualunque utilizzatore pu? acquistarlo e utilizzarlo (anche per scopi amatoriali), e questo favorisce una maggiore sensibilizzazione rispetto ai problemi di inquinamento atmosferico e consente di adottare pi? semplicemente e su larga scala determinate precauzioni (es., indossare maschere filtranti) quando l?aria non soddisfa determinati criteri.
Inoltre, i sensori precedentemente discussi sono facilmente integrabili, presentano elevate sensibilit? e non sono dipendenti da condizioni di lavoro variabili (es., umidit?, ecc.).
Inoltre, la possibilit? di operare il gruppo rilevamento PM 37 in modalit? di auto-pulizia ne garantisce il corretto funzionamento.
La presenza opzionale dello strato di adesione PM 49 nel gruppo rilevamento PM 37 inoltre migliora l?adesione del particolato 34? al gruppo rilevamento PM 37, anche se ne complica la pulizia e pu? ridurre il tempo di vita complessivo in cui il gruppo rilevamento PM 37 pu? esser usato.
Risulta infine chiaro che al trovato qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, il numero e la posizione nel dispositivo MEMS 20 dei sensori di particolato 30, dei sensori di gas 32 e, se presenti, dei sensori d?aria 60 possono variare rispetto a quanto descritto. Ad esempio, ? possibile avere una pluralit? di sensori di particolato 30, una pluralit? di sensori di gas 32 e una pluralit? di sensori d?aria 60. Inoltre, i sensori di gas 32 e i sensori d?aria 60 possono esser portati dal secondo corpo semiconduttore 23 (oppure in parte dal primo corpo semiconduttore 22 e in parte dal secondo corpo semiconduttore 23). In particolare, avere una pluralit? di sensori di particolato 30 disposti in serie fra loro lungo l?asse X permette di discriminare il particolato 34? anche per dimensione. Infatti, poich? come precedentemente descritto il particolato 34? viene maggiormente deflesso per acustoforesi al crescere della sua dimensione, avere tale pluralit? di sensori di particolato 30 permette di rilevare il particolato 34? di maggiori dimensioni con i sensori di particolato 30 pi? prossimi alla prima apertura 24a e di rilevare il particolato 34? di minori dimensioni con i sensori di particolato 30 pi? prossimi alla seconda apertura 24b.
Ad esempio, i sensori di particolato 30 possono esser disposti a formare schiere (?arrays?) o matrici. Analoga considerazione vale per i sensori d?aria 60 e i sensori di gas 32. Inoltre, i sensori di gas 32 possono esser progettati (ad esempio variando lo strato di adesione gas 58) per rilevare tipologie di gas 34? diverse fra loro, permettendo una contemporanea misura di pi? tipi di gas 34?.
Inoltre, analogamente a quanto mostrato in figura 7, il numero di condotti 24 paralleli fra loro e non comunicanti pu? esser maggiore di due.
Inoltre, al fine di realizzare la prima e la seconda cavit? sepolta 40 e 53, ? possibile sostituire la fase descritta in figura 9B con una ripetizione di fasi in successione fra loro, ciascuna fase comprendendo la formazione di uno strato di materiale semiconduttore (es., tramite crescita epitassiale di silicio) sul substrato 22? (che dunque cresce di spessore ad ogni fase) seguita da un rispettivo attacco per rimuovere due porzioni di tale strato di materiale semiconduttore. Rimuovendo le porzioni di ciascuno strato sempre in corrispondenza delle stesse regioni, ? possibile formare due rispettive trincee che, una volta coperte da uno strato finale di materiale semiconduttore (es., formato tramite crescita epitassiale), definiscono la prima e la seconda cavit? sepolta 40 e 53.
Claims (21)
1. Dispositivo MEMS (20) per il rilevamento di particolato (34?) e di uno o pi? gas (34?) nell?aria, comprendente:
- un primo corpo semiconduttore (22) avente una prima superficie (22a);
- un secondo corpo semiconduttore (23) avente una rispettiva prima superficie (23a) affacciata alla prima superficie (22a) del primo corpo semiconduttore (22); e - un primo (26a) e un secondo (26b) gruppo spaziatore estendentisi fra le prime superfici (22a, 23a) del primo e del secondo corpo semiconduttore (22, 23) in modo da distanziare reciprocamente il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23), in cui il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23) e il primo e il secondo gruppo spaziatore (26a, 26b) formano pareti di un primo condotto (24) che ha una direzione di estensione principale (X) e che presenta una prima (24a) e una seconda (24b) apertura opposte fra loro lungo la direzione di estensione principale (X), il dispositivo MEMS (20) comprendendo inoltre almeno uno fra:
- un primo sensore di particolato (30) comprendente un primo gruppo emettitore (36) configurato per generare onde acustiche (48) nel primo condotto (24), e un primo gruppo di rilevamento di particolato (37) configurato per rilevare il particolato (34?) presente nel primo condotto (24), in cui il primo gruppo emettitore (36) ? portato dal primo corpo semiconduttore (22) e il primo gruppo di rilevamento di particolato (37) ? portato dal secondo corpo semiconduttore (23) in modo tale per cui il primo gruppo emettitore (36) e il primo gruppo di rilevamento di particolato (37) sono affacciati fra loro attraverso il primo condotto (24), trasversalmente alla direzione di estensione principale (X); e
- un primo sensore di gas (32) che ? portato dal primo o dal secondo corpo semiconduttore (22, 23), ? affacciato al primo condotto (24) ed ? configurato per rilevare detti uno o pi? gas (34?) nell?aria presente nel primo condotto (24).
2. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno fra il primo gruppo emettitore (36) e il primo gruppo di rilevamento di particolato (37) comprende una rispettiva membrana (42) sospesa su una rispettiva prima cavit? sepolta (40) realizzata nel primo e, rispettivamente, nel secondo corpo semiconduttore (22, 23) in corrispondenza delle rispettive prime superfici (22a, 23a), ciascuna membrana (42) comprendendo un rispettivo gruppo di attuazione (46),
in cui il gruppo di attuazione (46) del primo gruppo emettitore (36) ? configurato per mettere in vibrazione, per via piezoelettrica, la membrana (42) del primo gruppo emettitore (36) in modo tale da causare la generazione delle onde acustiche (48) nell?aria presente nel primo condotto (24), e
in cui il primo gruppo di rilevamento di particolato (37) ? configurato per rilevare, tramite il rispettivo gruppo di attuazione (46), una variazione di vibrazione della membrana (42) del primo gruppo di rilevamento di particolato (37), che dipende dal particolato (34?) attaccato al primo gruppo di rilevamento di particolato (37).
3. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 2, in cui la membrana (42) del primo gruppo di rilevamento di particolato (37) comprende inoltre uno strato di adesione di particolato (49) che si estende sul rispettivo gruppo di attuazione (46), ? affacciato al primo condotto (24) ed ? configurato per far aderire il particolato (34?) a detta membrana (42).
4. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 2 o la rivendicazione 3, in cui ciascun gruppo di attuazione (46) comprende uno strato piezoelettrico (46a) interposto fra un primo elettrodo (46b) e un secondo elettrodo (46c), il primo elettrodo (46b) estendendosi fra lo strato piezoelettrico (46a) e un rispettivo corpo di membrana (44) della rispettiva membrana (42), sul quale si estende il gruppo di attuazione (46).
5. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-4, in cui il gruppo di attuazione (46) del primo gruppo di rilevamento di particolato (37) ? inoltre configurato per mettere in vibrazione, in una modalit? di auto-pulizia del primo gruppo di rilevamento di particolato (37), la membrana (42) del primo gruppo di rilevamento di particolato (37) in modo tale da causare il distaccamento del particolato (34?), presente sulla membrana (42) del primo gruppo di rilevamento di particolato (37), dalla membrana (42) del primo gruppo di rilevamento di particolato (37).
6. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo sensore di gas (32) comprende:
- un primo elemento scaldatore (52) che si estende su una seconda cavit? sepolta (53) realizzata nel primo o nel secondo corpo semiconduttore (22, 23) in corrispondenza della rispettiva prima superficie (22a, 23a), e che ? configurato per generare calore quando polarizzato;
- uno strato di isolamento elettrico (54) estendentesi sul primo elemento scaldatore (52); e
- un gruppo di rilevamento di gas (56) configurato per rilevare detti uno o pi? gas (34?),
in cui il gruppo di rilevamento di gas (56) comprende una prima (56a) e una seconda (56b) piastra configurate per esser accoppiate capacitivamente fra loro ed estendentisi sullo strato di isolamento elettrico (54), e uno strato di adesione gas (58) che si estende sulla prima e sulla seconda piastra (56a, 56b), ? affacciato al primo condotto (24) ed ? configurato per far aderire detti uno o pi? gas (34?) al gruppo di rilevamento di gas (56).
7. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre uno o pi? sensori di flusso d?aria (60) che sono portati dal primo e/o dal secondo corpo semiconduttore (22, 23), sono affacciati al primo condotto (24) e sono configurati per misurare un flusso d?aria attraverso il primo condotto (24).
8. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 7, in cui ciascun sensore di flusso d?aria (60) comprende una o pi? strutture sospese (62) estendentisi su una cavit? (64) realizzata nel primo o nel secondo corpo semiconduttore (22, 23) ed affacciata al primo condotto (24), ciascuna struttura sospesa (62) avendo un?estremit? (62b) che ? libera di oscillare e che protrude nel primo condotto (24) in modo tale per cui il flusso d?aria, quando presente nel primo condotto (24), causa una deformazione elastica della struttura sospesa (62).
9. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 7, in cui ciascun sensore di flusso d?aria (60) comprende:
- un secondo elemento scaldatore (67) che ? sospeso su una cavit? (66) realizzata nel primo o nel secondo corpo semiconduttore (22, 23) ed affacciata al primo condotto (24), e che ? configurato per generare calore; e
- una prima e una seconda termopila (68) affacciate a rispettivi lati del secondo elemento scaldatore (67) che sono opposti fra loro lungo la direzione di estensione principale (X), la prima e la seconda termopila (68) essendo configurate per rilevare il calore generato dal secondo elemento scaldatore (67).
10. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre almeno un secondo sensore di particolato (30) comprendente un secondo gruppo emettitore (36) configurato per generare ulteriori onde acustiche (48) nel primo condotto (24), e un secondo gruppo di rilevamento di particolato (37) configurato per rilevare il particolato (34?) presente nel primo condotto (24), in cui il secondo gruppo emettitore (36) ? portato da uno fra il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23) e il secondo gruppo di rilevamento di particolato (37) ? portato dall?altro fra il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23) in modo tale per cui il secondo gruppo emettitore (36) e il secondo gruppo di rilevamento di particolato (37) sono affacciati fra loro attraverso il primo condotto (24), trasversalmente alla direzione di estensione principale (X).
11. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre almeno un secondo sensore di gas (32) che ? portato dal primo o dal secondo corpo semiconduttore (22, 23), ? affacciato al primo condotto (24) ed ? configurato per rilevare detti uno o pi? gas (34?) nell?aria presente nel primo condotto (24).
12. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo MEMS (20) comprende il primo sensore di particolato (30) e il primo sensore di gas (32), che sono entrambi affacciati al primo condotto (24).
13. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre almeno un terzo gruppo spaziatore (26c) estendentesi fra le prime superfici (22a, 23a) del primo e del secondo corpo semiconduttore (22, 23) in modo da distanziare reciprocamente il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23),
in cui il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23) e il primo e il terzo gruppo spaziatore (26a, 26c) formano rispettive pareti di un secondo condotto (24) che ? fluidicamente in parallelo rispetto al primo condotto (24), ha una rispettiva direzione di estensione principale (X) e presenta una rispettiva prima (24a) e una rispettiva seconda (24b) apertura opposte fra loro lungo la rispettiva direzione di estensione principale (X),
il dispositivo MEMS (20) comprendendo inoltre almeno uno fra:
- almeno un terzo sensore di particolato (30), ciascun terzo sensore di particolato (30) comprendendo un terzo gruppo emettitore (36) configurato per generare rispettive onde acustiche (48) nel secondo condotto (24), e un terzo gruppo di rilevamento di particolato (37) configurato per rilevare il particolato (34?) presente nel secondo condotto (24), in cui il terzo gruppo emettitore (36) ? portato da uno fra il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23) e il terzo gruppo di rilevamento di particolato (37) ? portato dall?altro fra il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23) in modo tale per cui il terzo gruppo emettitore (36) e il terzo gruppo di rilevamento di particolato (37) sono affacciati fra loro attraverso il secondo condotto (24), trasversalmente alla rispettiva direzione di estensione principale (X); e
- almeno un terzo sensore di gas (32), ciascun terzo sensore di gas (32) essendo portato dal primo o dal secondo corpo semiconduttore (22, 23), essendo affacciato al secondo condotto (24) ed essendo configurato per rilevare detti uno o pi? gas (34?) nell?aria presente nel secondo condotto (24).
14. Apparecchio (100) comprendente un dispositivo MEMS (20) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
15. Apparecchio secondo la rivendicazione 14, comprendente inoltre:
- un modulo di pompaggio (106) di tipo MEMS accoppiato pneumaticamente al primo condotto (24) e configurato per generare un flusso d?aria attraverso il primo condotto (24); e
- un modulo di controllo (104, 102) configurato per comandare il, e ricevere segnali dal, dispositivo MEMS (20).
16. Processo di fabbricazione di un dispositivo MEMS (20) per il rilevamento di particolato (34?) e di uno o pi? gas (34?) nell?aria, comprendente le fasi di:
- formare un primo (26a) e un secondo (26b) gruppo spaziatore fra rispettive prime superfici (22a, 23a), affacciate fra loro, di un primo e di un secondo corpo semiconduttore (22, 23) in modo da distanziare reciprocamente il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23), in cui il primo e il secondo corpo semiconduttore (22, 23) e il primo e il secondo gruppo spaziatore (26a, 26b) formano pareti di un primo condotto (24) che ha una direzione di estensione principale (X) e che presenta una prima (24a) e una seconda (24b) apertura opposte fra loro lungo la direzione di estensione principale (X), e
- formare inoltre almeno uno fra:
un primo sensore di particolato (30) comprendente un primo gruppo emettitore (36) configurato per generare onde acustiche (48) nel primo condotto (24), e un primo gruppo di rilevamento di particolato (37) configurato per rilevare il particolato (34?) presente nel primo condotto (24), in cui il primo gruppo emettitore (36) ? portato dal primo corpo semiconduttore (22) e il primo gruppo di rilevamento di particolato (37) ? portato dal secondo corpo semiconduttore (23) in modo tale per cui il primo gruppo emettitore (36) e il primo gruppo di rilevamento di particolato (37) sono affacciati fra loro attraverso il primo condotto (24), trasversalmente alla direzione di estensione principale (X); e
un primo sensore di gas (32) che ? portato dal primo o dal secondo corpo semiconduttore (22, 23), ? affacciato al primo condotto (24) ed ? configurato per rilevare detti uno o pi? gas (34?) nell?aria presente nel primo condotto (24).
17. Processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 15, in cui la fase di formare il primo (26a) e il secondo (26b) gruppo spaziatore comprende:
- fissare una fetta spaziatrice (160) ad una fetta di trasporto (166), la fetta spaziatrice (160) avendo una rispettiva prima (160a) e una rispettiva seconda (160b) superficie e la fetta di trasporto (166) avendo una rispettiva prima (166a) e una rispettiva seconda (166b) superficie, le prime superfici (160a, 166a) della fetta spaziatrice (160) e della fetta di trasporto (166) essendo affacciate fra loro;
- formare nella fetta spaziatrice (160), tramite un attacco della seconda superficie (160b) della fetta spaziatrice (160), una cavit? di condotto (24) che si estende dalla seconda superficie (160b) della fetta spaziatrice (160) alla prima superficie (160a) della fetta spaziatrice (160) e che definisce e separa fra loro il primo gruppo spaziatore (26a) e il secondo gruppo spaziatore (26b);
- fissare il primo corpo semiconduttore (22) alla fetta spaziatrice (160) in modo tale per cui la prima superficie (22a) del primo corpo semiconduttore (22) ? affacciata alla seconda superficie (160b) della fetta spaziatrice (160);
- disaccoppiare fra loro la fetta spaziatrice (160) e la fetta di trasporto (166); e
- fissare il secondo corpo semiconduttore (23) alla fetta spaziatrice (160) in modo tale per cui la prima superficie (23a) del secondo corpo semiconduttore (23) ? affacciata alla prima superficie (160a) della fetta spaziatrice (160), formando cos? il primo condotto (24).
18. Processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 16 o 17, in cui la fase di formare il primo sensore di particolato (30) comprende:
- formare, in corrispondenza di una prima superficie (140a) di una fetta (140), una prima cavit? sepolta (40), detta fetta (140) formando il primo o il secondo corpo semiconduttore (22; 23); e
- formare, sulla prima superficie (140a) della fetta (140), un gruppo di attuazione (46) del primo gruppo emettitore (36) o del primo gruppo di rilevamento di particolato (37), che ? sovrapposto alla prima cavit? sepolta (40).
19. Processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 18, in cui la fase di formare il gruppo di attuazione (46) comprende:
- formare, sulla prima superficie (140a) della fetta (140), un primo elettrodo (46b) sovrapposto alla prima cavit? sepolta (40);
- formare, sul primo elettrodo (46b), uno strato piezoelettrico (46a); e
- formare, sullo strato piezoelettrico (46a), un secondo elettrodo (46c).
20. Processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 18 o 19, in cui la fase di formare il primo sensore di particolato (30) comprende inoltre formare, sul gruppo di attuazione (46) del primo gruppo di rilevamento di particolato (37), uno strato di adesione di particolato (49) configurato per far aderire il particolato (34?) al primo gruppo di rilevamento di particolato (37).
21. Processo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 18-20, in cui la fase di formare il primo sensore di gas (32) comprende:
- formare, in corrispondenza della prima superficie (140a) della fetta (140) e lateralmente alla prima cavit? sepolta (40), una seconda cavit? sepolta (53);
- formare, sulla prima superficie (140a) della fetta (140), un primo elemento scaldatore (52) sovrapposto alla seconda cavit? sepolta (53) e configurato per generare calore quando polarizzato;
- formare, sul primo elemento scaldatore (52), uno strato di isolamento elettrico (54); e
- formare, sullo strato di isolamento elettrico (54), un gruppo di rilevamento di gas (56) configurato per rilevare detti uno o pi? gas (34?),
in cui il gruppo di rilevamento di gas (56) comprende una prima (56a) e una seconda (56b) piastra configurate per esser accoppiate capacitivamente fra loro ed estendentisi sullo strato di isolamento elettrico (54), e uno strato di adesione gas (58) che si estende sulla prima e sulla seconda piastra (56a, 56b), ? affacciato al primo condotto (24) ed ? configurato per far aderire detti uno o pi? gas (34?) al gruppo di rilevamento di gas (56).
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