ITMI20130482A1 - Dispositivo elettronico integrato per il monitoraggio di pressione all'interno di una struttura solida - Google Patents

Description

“Dispositivo elettronico integrato per il monitoraggio di pressione all’interno di una struttura solidaâ€

DESCRIZIONE

SFONDO TECNOLOGICO DELL’INVENZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione si riferisce a dispositivi elettronici integrati per la rilevazione di pressione avvertita localmente, all’interno di una struttura solida, in una specifica direzione.

E’ altresì compreso nella presente invenzione un modulo di rilevazione e monitoraggio che impiega il summenzionato dispositivo ed un rispettivo sistema di monitoraggio di pressione all’interno di una struttura solida.

Descrizione dell’arte nota

In strutture solide, particolarmente in strutture portanti di, ad esempio, ponti, palazzi, gallerie, ferrovie, muri di contenimento, dighe, argini, solette e travi di edifici, condutture e strutture sotterranee di metropolitane urbane e così via, à ̈ molto importante monitorare, in più punti, parametri significativi, in particolare gli sforzi meccanici (e dunque le forze e/o pressioni che li causano) a cui la struttura à ̈ sottoposta in quei punti. Ai fini della presente descrizione, vengono considerate strutture solide le strutture in materiale edilizio, ad esempio cemento, calcestruzzo, malta.

Un tale monitoraggio, effettuato periodicamente o continuativamente, Ã ̈ utile sia in fase iniziale, sia durante il periodo di vita della struttura.

A tale scopo, à ̈ noto impiegare dispositivi elettronici di monitoraggio basati su sensori elettronici, in grado di fornire buone prestazioni a costi contenuti. Solitamente, tali dispositivi sono applicati sulla superficie delle strutture da monitorare, o all’interno di recessi già previsti nella struttura ed accessibili all’esterno.

Per migliorare le prestazioni del monitoraggio, al fine di valutare la qualità della struttura, la sua sicurezza, l’invecchiamento, la reazione a condizioni atmosferiche variabili, e così via, sono state anche realizzate soluzioni che prevedono dispositivi elettronici di monitoraggio “sepolti†all’interno del materiale (ad esempio cemento armato) di cui à ̈ costituita la struttura da monitorare. Tra questi, il dispositivo descritto nel brevetto statunitense US 6,950,767 costituisce un intero sistema incapsulato in un unico contenitore, composto di diverse parti, assemblate su un substrato, quali circuiti integrati, sensori, antenne, condensatori, batterie, memorie, unità di controllo, realizzati in diversi “chip†tra loro elettricamente connessi mediante collegamenti metallici. Nel complesso, US 6,950,767 descrive una soluzione di tipo “System in Package†(SiP). Si deve però osservare che un SiP, “annegato†inizialmente in un materiale per costruzioni (ad es. calcestruzzo liquido) e destinato a rimanere poi “sepolto†nella struttura solida, à ̈ sottoposto a condizioni ambientali critiche, ad esempio per le altissime pressioni a cui à ̈ sottoposto che possono arrivare a circa 600 atmosfere. A ciò bisogna anche aggiungere numerose altre cause di usura, ad esempio, dovute ad infiltrazioni di acqua, che col passare del tempo possono danneggiare il suddetto sistema. Pertanto, nel citato ambito di applicazione, un SiP quale quello di US 6,950,767, risulta poco affidabile.

Sono noti anche altri dispositivi elettronici atti a rilevare una pressione, e di conseguenza la forza o sforzo meccanico che la ha generata, e che sono in particolare realizzati mediante sensori di pressione capacitivi. Tuttavia, tali dispositivi non sono impiegabili nell’ambito del monitoraggio delle strutture solide. Infatti, le caratteristiche costruttive di tali dispositivi li rendono vulnerabili sia alle pressioni sopra menzionate che sono presenti all’interno delle strutture sia agli effetti di corrosione determinate da infiltrazioni di acqua nelle strutture stesse. Pertanto, anche tali sensori di pressione capacitivi sono poco affidabili.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di escogitare e mettere a disposizione un dispositivo elettronico integrato per la rilevazione di una pressione e/o sforzo meccanico, all’interno di una struttura solida, che sia migliorato in modo tale da ovviare almeno parzialmente agli inconvenienti qui sopra descritti con riferimento alle soluzioni note.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Tale scopo viene raggiunto da un dispositivo di rilevazione in accordo con la rivendicazione 1.

Ulteriori forme di realizzazione di tale dispositivo sono definite nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 19.

Un modulo di rilevazione e monitoraggio, comprendente un dispositivo di rilevazione secondo l’invenzione, à ̈ definito nella rivendicazione 20.

Un sistema di monitoraggio comprendente almeno un modulo (e dunque un dispositivo) secondo l’invenzione à ̈ definito nella rivendicazione 21.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo elettronico integrato di rilevazione, secondo l’invenzione, risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle annesse figure, in cui:

- la figura 1 mostra una vista in sezione laterale di una forma di realizzazione preferita del dispositivo secondo l’invenzione;

- la figura 2 mostra una vista in sezione dall’alto (riferita ad un piano orizzontale passante per il sensore) del dispositivo di figura 1;

- la figura 3 mostra schematicamente un circuito elettrico equivalente del dispositivo di figura 1 avente un ingresso collegato con un generatore di tensione ed un’uscita collegata ad un carico;

- le figure 4, 5, 6 mostrano tre viste in sezione laterale riferite rispettivamente a tre ulteriori forme realizzative del dispositivo secondo l’invenzione;

- la figura 7 mostra una vista in sezione dall’alto (riferita ad un piano orizzontale passante per il sensore) del dispositivo delle figure 5 e 6;

- le figure 8, 9 mostrano viste in sezione laterale riferite rispettivamente a ulteriori forme realizzative del dispositivo secondo l’invenzione; - le figure 10, 11 mostrano viste in sezione laterale riferite rispettivamente a ulteriori forme realizzative del dispositivo secondo l’invenzione; - le figure 12A, 12B mostrano viste in sezione laterale ed in ingrandimento di una porzione del dispositivo di figura 8 in due condizioni operative; - la figura 13 rappresenta un diagramma prospettico di modulo di Young e densità di numerosi materiali, nel quale sono evidenziate proprietà di interesse di materiali rilevanti per la presente invenzione;

- la figura 14 illustra uno schema strutturale di un modulo di rivelazione e monitoraggio dell’invenzione;

- la figura 15 illustra schematicamente un sistema di monitoraggio secondo un esempio dell’invenzione; - le figure 16-21 illustrano schematicamente forme di realizzazione di un apparato di test impiegabile per testare il dispositivo di rilevazione dell’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle suddette figure 1-12B, un dispositivo elettronico integrato su una piastrina (chip) di materiale semiconduttore per la rilevazione di una pressione correlata ad una forza F o sforzo meccanico avvertita lungo una direzione predeterminata “d†, all’interno di una struttura solida, secondo la presente invenzione e nelle diverse forme di realizzazione à ̈ indicato con i riferimenti numerici 400, 400a, 500, 500’, 600, 600’, 700, 700’.

Nel seguito, per brevità, il suddetto dispositivo elettronico sarà definito “dispositivo di rilevazione†o semplicemente dispositivo. Inoltre, nelle figure sopra elencate elementi e componenti uguali o analoghi saranno indicati mediante gli stessi riferimenti numerici.

In riferimento alla figura 1, il dispositivo di rilevazione 400 o sensore di pressione comprende un elemento integrato 51, in particolare in materiale semiconduttore, delimitato da una superficie operativa 52 della piastrina che à ̈ sostanzialmente ortogonale alla direzione d di applicazione della forza F.

Si osservi che l’elemento integrato 51 à ̈ schematicamente rappresentato mediante sovrapposizione di due strati: un primo strato o substrato 51a comprendente il materiale semiconduttore, per esempio silicio; ed un secondo strato 51b corrispondente alle metallizzazioni che collegano i vari elementi dei circuiti che sono integrati e realizzati nel primo strato 51a.

Inoltre, il dispositivo 400 comprende un primo ed un secondo elemento conduttivo indicati rispettivamente con 53 e 54, alloggiati nell’elemento integrato 51, in particolare nel secondo strato 51b, e configurati per essere affacciati verso la superficie operativa 52.

In una forma di realizzazione, tali primo e secondo elemento conduttivo 53 e 54 sono elementi metallici. In una forma preferita di realizzazione, in riferimento alla figura 2, il primo ed il secondo elemento conduttivo 53 e 54 sono piastre metalliche aventi struttura interdigitata per evitare la formazione di correnti parassite (eddy current in lingua inglese) che peggiorerebbero le prestazioni dell’intero dispositivo nel caso in cui questo comprenda anche una antenna incorporata (embedded), come sarà evidente in dettaglio in seguito. Si osservi che le piastre metalliche 53 e 54 possono anche avere una forma geometrica diversa da quella mostrata in figura 2.

Il dispositivo di rilevazione 400 comprende, inoltre dei circuiti, fra i quali vi à ̈ un modulo elettronico di misura 55 alloggiato nell’elemento integrato 51 e comprendente un primo ed un secondo terminale di misura 56 e 57 rispettivamente collegati elettricamente con i suddetti primo e secondo elemento conduttivo 53 e 54. Tale modulo di misura 55 comprende, particolarmente, la circuiteria funzionale integrata del sensore. Tale circuiteria funzionale del modulo 55 à ̈ integrata nell’elemento integrato 51, in particolare nel primo strato 51a, ed à ̈ provvista di linee di collegamento comprese nel secondo strato 51b e costituite da diversi livelli di metallizzazione connessi da vie conduttive, usando tecniche microelettroniche note.

In aggiunta, il dispositivo di rilevazione 400 comprende un elemento di rilevazione 58 disposto lungo la direzione predeterminata “d†in modo che la superficie operativa 52 del dispositivo sia interposta tra il primo ed il secondo elemento conduttivo 53 e 54, da una parte, ed il suddetto elemento di rilevazione 58, dall’altra.

In una forma di realizzazione, l’elemento di rilevazione 58 si concretizza in un elemento conduttivo fabbricato in un sol pezzo. In una forma preferita di realizzazione l’elemento conduttivo 58 à ̈ in materiale resistente alla corrosione e/o ossidazione. Tale elemento conduttivo 58 può essere una piastra metallica, per esempio, di alluminio. Alternativamente, tale elemento conduttivo 58 à ̈ fabbricato impiegando un polimero conduttivo o altro materiale conduttivo.

In una forma di realizzazione, in riferimento alla figura 7, la piastra metallica 58 ha una struttura interdigitata. Comunque, Ã ̈ possibile che tale piastra metallica 58 possa avere diverse forme geometriche.

Ancora in riferimento alla figura 1, il dispositivo di rilevazione 400 comprende uno strato di isolamento o strato passivante 59 atto a rivestire almeno la superficie operativa 52 per isolare galvanicamente il primo ed il secondo elemento conduttivo 53 e 54 da ciò che à ̈ esterno al elemento integrato 51. Dal momento che tali primo e secondo elemento conduttivo 53 e 54 sono collocati al di sotto dello strato passivante 59, sono sostanzialmente insensibili ad effetti di corrosione e/o ossidazione operati da agenti esterni (per esempio umidità, sostanze acide) che potrebbero degradarne la struttura, e di conseguenza, compromettere l’affidabilità dell’intero dispositivo di rilevazione 400.

In riferimento alle figure 4, 5, 6, 8 e 9 lo strato passivante 59 à ̈ uno strato impermeabile e protettivo che riveste completamente l’elemento integrato 51 del dispositivo di rilevazione 400a, 500, 500’, 600, 600’, in modo tale che sia il modulo di misura 55 sia gli elementi conduttivi 53, 54, nel complesso, siano interamente sigillati in modo ermetico ed isolati galvanicamente dall’ambiente circostante.

Tale strato passivante 59 può essere realizzato, in diversi esempi di realizzazione compresi nell’invenzione, in ossido di silicio, o nitruro di silicio, o carburo di silicio.

In aggiunta, il dispositivo 400 comprende uno strato di materiale dielettrico 510 almeno interposto tra l’elemento di rilevazione 58 e lo strato passivante 59. In particolare, lo strato di materiale dielettrico 510 à ̈ elasticamente deformabile in seguito all’applicazione della forza F lungo la direzione predeterminata d per modificare un accoppiamento elettromagnetico tra l’elemento di rilevazione 58 e il primo e secondo elemento conduttivo 53 e 54.

Nell’esempio di figura 1, l’applicazione della forza F lungo la direzione d à ̈ atta a modificare sostanzialmente, in seguito a deformazione elastica del dielettrico 510, la distanza tra l’elemento di rilevazione 58 ed il primo e secondo elemento conduttivo 53 e 54, in particolare avvicinando l’elemento di rilevazione 58 a tali elementi conduttivi 53 e 54.

Con riferimento ora alla figura 13, verranno forniti maggiori dettagli sul materiale flessibile/elastico che forma il dielettrico 510 nel dispositivo 400.

La proprietà di tale materiale deve essere quella di deformarsi a seguito dell’applicazione della forza F agente su di esso, da cui la definizione generale di materiale “elastico/flessibile†per trasferire tale forza F all’elemento di rilevazione 58 spostandolo dalla posizione di riposo. I termini “elastico†e “flessibile†sono considerati come sinonimi.

In particolare, tale materiale deve essere più elastico del materiale edilizio (ad esempio cemento armato o pietra) della struttura da monitorare, e, vantaggiosamente, anche più elastico del semiconduttore (ad esempio, silicio) di cui sono composti la circuiteria ed il substrato 51a del dispositivo di rilevazione 400.

Per rendere più rigorosa la definizione di “elastico/flessibile†si faccia riferimento al diagramma generale riportato in figura 13 (ben noto nella tecnica dei materiali), che rappresenta il modulo di elasticità o modulo di Young (in ordinata) e la densità di numerosi materiali (in ascissa). Il modulo di Young, come noto, fornisce una misura della rigidezza, e quindi anche della flessibilità/ elasticità di un materiale.

Le parti rilevanti della figura 13 sono quelle evidenziate, in particolare le aree del grafico indicate con il riferimento numerico 131 (modulo di Young e densità del silicio), con il riferimento numerico 132 (areole riferite a modulo di Young e densità del cemento e della roccia/pietra – rock, stone, cement, concrete) e con il riferimento numerico 133 (modulo di Young e densità di materiali polimerici ed elastomerici, particolarmente adatti ad essere utilizzati come materiale flessibile/elastico per il dielettrico 510 del dispositivo della presente invenzione).

I materiali compresi nella regione 133 (ad esempio poliesteri, PVC, silicone, teflon, Kapton, Polyimide, PEN, PET, resine epossidiche, elastomeri, gomma, poliformaldeide, polipropilene, PMMA, polietilene, policarbonato) presentano un modulo di Young inferiore, anche molto inferiore, a quello del silicio e dei materiali edilizi sopra citati, e presentano inoltre una densità non troppo dissimile. Essi dunque sono adatti all’impiego nella presente invenzione.

In generale, si può affermare che, nella realizzazione dello strato dielettrico 510 sono adatti ad essere impiegati materiali aventi modulo di Young inferiore a quelli del silicio e dei materiali edilizi delle strutture solide da monitorare, quindi minori della soglia indicata in figura 13 con la linea tratteggiata 134.

Preferibilmente, sono adatti ad essere impiegati i materiali aventi modulo di Young inferiore a 20 GPa. Più preferibilmente, sono adatti ad essere impiegati per lo strato dielettrico 510 i materiali aventi modulo di Young inferiore a 10 GPa.

Tale strato di materiale dielettrico 510 può essere realizzato con un polimero o elastomero come ad esempio: poliammide, polyimide, teflon, kapton, resina epossidica, silicone, PVC, PTFE, poliestere, nylon, PMMA, PEN, PET, gomma, resine, poliformaldeide, polipropilene, polietilene, policarbonato, o materiali compositi.

In riferimento alle figure 1 e 3, si osservi che il primo elemento conduttivo 53 e l’elemento di rilevazione 58 formano le armature di un primo condensatore C1. Analogamente, il secondo elemento conduttivo 54 e l’elemento di rilevazione 58 formano le armature di un secondo condensatore C2 collegato in serie al primo condensatore C1. In altre parole, il sensore capacitivo dell’invenzione à ̈ equivalente a due condensatori C1, C2 collegati in serie tra loro.

In riferimento alla figura 3, un segnale di tensione Vin d’ingresso, per esempio una tensione continua o una tensione variabile, generata dal modulo di misura 55 sul primo terminale di misura 56, viene trasferita mediante accoppiamento elettromagnetico, dal primo elemento conduttivo 53 all’elemento di rilevazione 58 e, da quest’ultimo al secondo elemento conduttivo 54, cioà ̈ al secondo terminale di misura 57. In tal modo, un segnale di tensione d’uscita Vout rilevato dai circuiti del modulo di misura 55 (qui rappresentati come un carico di uscita equivalente LD, per esempio un carico capacitivo o resistivo o induttivo, più in generale una impedenza), à ̈ il risultato della variazione della partizione di tale tensione d’ingresso Vin sulla serie C1, C2 e su tale carico LD. Assumendo il valore LD costante, la tensione Vout rilevata dal modulo di misura 55 à ̈ funzione della capacità equivalente alla serie C1, C2. Tale capacità equivalente varia in seguito all’applicazione della forza F, come sopra ricordato.

In una ulteriore forma di realizzazione, se il segnale di tensione d’ingresso Vin à ̈ variabile nel tempo, il modulo di misura 55 à ̈ configurato per misurare una variazione del valore di tensione di picco, o un valore picco-picco o un valore efficace del segnale di tensione d’uscita Vout per determinare la variazione di capacità del sensore e determinare la forza F o sforzo meccanico ad esso applicato.

Con riferimento ora alle figure 4-6, 8-12B, verranno descritte diverse forme di realizzazione del dispositivo di rilevazione 400a, 500, 500’, 600, 600’, 700, 700’ secondo l’invenzione, diversificate tra loro da alcuni particolari relativi alla conformazione strutturale.

In particolare, il dispositivo di rilevazione 400a comprende una antenna incorporata 520 (embedded) realizzata nel secondo strato 51b dell’elemento integrato 51 associato alla circuiteria funzionale del modulo di misura 55. Tale antenna 520 à ̈ atta a trasmettere all’esterno del dispositivo di rilevazione 400a, in modalità “senza fili†(wireless o contactless) i dati misurati, cioà ̈ l’intensità della variabile elettrica rappresentativa delle grandezze fisiche, forza e/o pressione, da rivelare e monitorare. L’antenna incorporata 520, inoltre, à ̈ configurata per ricevere dall’esterno comandi operativi. Inoltre, l’antenna incorporata 520 à ̈ anche configurata per ricevere onde a radiofrequenza necessarie per un’alimentazione da remoto (cioà ̈ una “telealimentazione†) del dispositivo di rilevazione 400a, senza necessità di batterie o alimentatori in loco.

Considerazioni analoghe valgono anche per le antenne incorporate 520 dei dispositivi di rilevazione 500, 500’, 600, 600’, 700, 700’.

Ancora in riferimento alla figura 4, il dispositivo di rilevazione 400a comprende mezzi elettromagnetici 511 per la trasmissione/ricezione di segnali ed energia elettromagnetici tra il modulo di misura 55 ed un sistema esterno al dispositivo. In particolare, tali mezzi elettromagnetici 511, mostrati in dettaglio nella vista in seziona planare di figura 7, sono accolti in uno strato di supporto 530 del dispositivo disposto lungo la direzione predeterminata d in modo che lo strato di materiale dielettrico 510 sia interposto tra lo strato di passivante 59 e tale strato di supporto 530. Si osservi che tali mezzi elettromagnetici 511 sono configurati per accoppiarsi magneticamente con l’antenna incorporata 520 del dispositivo consentendo la trasmissione/ricezione di segnali elettromagnetici tra il modulo di misura 55 e l’ambiente esterno, ed ottenere l’energia per il funzionamento dell’elemento integrato 51.

In una forma di realizzazione, sempre in relazione alla figura 4, lo strato di supporto 530 comprende una cavità passante 531 realizzata lungo detta direzione predeterminata d in corrispondenza dell’elemento di rilevazione 58. Ciò permette una migliore trasmissione della forza F al sensore migliorando l’affidabilità della misura.

In un’altra forma di realizzazione mostrata nelle figure 5-6, 8-11 lo stesso strato di supporto 510’ à ̈ fabbricato in materiale dielettrico elasticamente deformabile e comprende, oltre ai mezzi elettromagnetici 511, anche l’elemento di rilevazione 58 risultando almeno parzialmente contiguo allo strato di passivazione 59 in corrispondenza della superficie operativa della piastrina 52.

Nella forma di realizzazione di figura 6, lo strato di supporto 510’ in materiale dielettrico elasticamente deformabile include un primo strato 512 dielettrico interposto tra l’elemento di rilevazione 58 e lo strato di passivazione 59. Tale primo strato dielettrico 512 ha una rispettiva costante dielettrica εr maggiore della costante dielettrica associata allo strato di supporto in materiale dielettrico deformabile 510’.

In riferimento alle forme di realizzazione delle figure 8-9, l’elemento di rilevazione 58 dei dispositivi 600, 600’ à ̈ un elemento conduttivo distribuito almeno parzialmente all’interno dello strato di materiale dielettrico 510’.

In maggior dettaglio, come mostrato negli ingrandimenti delle figure 12A-12B, tale elemento di rilevazione 58 comprende una molteplicità di microparticelle metalliche 601, per esempio di alluminio, distribuite all’interno dello strato di materiale dielettrico 510’. In seguito ad applicazione di un segnale elettrico di tensione sul primo elemento conduttivo 53, le micro-particelle 601 sono assimilabili, per effetto di induzione elettrica/elettromagnetica, a dipoli elettrici. In particolare, ciascuna particella à ̈ assimilabile ad elettrodo di uno o più condensatori formati con le particelle adiacenti. Tali particelle 601 concorrono a formare un piatto pseudo-capacitivo 602.

In seguito alla applicazione di una forza F in direzione sostanzialmente ortogonale allo strato di supporto 510’, la Richiedente ha stimato una riduzione della distanza reciproca tra le particelle 601 che si traduce in una variazione del contributo alla capacità totale risultante tra tale piatto pseudo-capacitivo 602 ed il primo elemento conduttivo 53 (e di conseguenza anche tra il piatto pseudocapacitivo 602 ed il secondo elemento conduttivo 54).

In un’altra forma di realizzazione, in riferimento ai dispositivi di rilevazione delle figure 10 e 11, tali dispositivi 700, 700’ comprendono un rivestimento (package) 60 atto a ricoprire porzioni dell’elemento integrato 51 non ricoperte dallo strato passivante 59. Particolarmente, tale rivestimento 60, realizzato impiegando un moulding compound, à ̈ atto a proteggere il dispositivo di rilevazione da sforzi meccanici F’. In una forma preferita di realizzazione, per trasferire al meglio la forza agente sul dispositivo dell’invenzione solo sul sensore capacitivo, cioà ̈ per far prevalere il contributo della forza F che viene rilevata, il modulo di Young del moulding compound à ̈ vantaggiosamente scelto in modo da essere molto maggiore di quello dello strato di supporto in materiale dielettrico 510’.

In una forma di realizzazione alternativa, una prima superficie 52’ dell’elemento integrato 51 opposta alla superficie operativa 52 potrebbe essere privata del suddetto rivestimento 60.

Si osservi che nei dispositivi di rilevazione 400, 400a, 500, 500’, 600, 600’, 700, 700’ dell’invenzione lo strato di materiale dielettrico 510, 510’ à ̈ configurato per includere almeno parzialmente l’elemento di rilevazione 58. In particolare, nell’esempio di figura 9, lo strato di micro-particelle conduttive 601 può estendersi, sostanzialmente, per l’intero spessore dello strato in materiale dielettrico 510’. Invece, in riferimento all’esempio di figura 11, l’elemento di rilevazione 58 può affiorare da una superficie dello strato in materiale dielettrico 510’ opposta alla superficie contigua allo strato di passivazione 59.

Con riferimento alla figura 14, viene ora descritto un modulo di rilevazione e monitoraggio 100, pure compreso nell’invenzione. Tale modulo 100 comprende un dispositivo di rilevazione 400, 400a, 500, 500’, 600, 600’, 700, 700’ secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione precedentemente descritte, e comprende inoltre i mezzi elettromagnetici 511 per la trasmissione/ricezione di segnali per telecomunicazioni e scambio di energia tra l’antenna incorporata 520 del dispositivo di rilevazione ed un’antenna remota 221 (mostrata in figura 15). Tali mezzi elettromagnetici 511 sono solidali al dispositivo di rilevazione. L’antenna incorporata 520, i mezzi elettromagnetici 511 e l’antenna remota 221 sono operativamente associati fra loro attraverso accoppiamento magnetico o elettromagnetico in modalità wireless.

I mezzi elettromagnetici 511 rispondono alla necessità di permettere una comunicazione tra il dispositivo di rilevazione, per esempio il dispositivo 500, ed un sistema esterno di controllo e raccolta dati, situato in remoto, ad esempio a distanze di alcuni centimetri o alcuni metri dalla struttura da monitorare e dunque dal dispositivo 500. Ciò implica la necessità di trasmettere energia elettromagnetica in campo vicino o lontano, tenendo conto anche delle attenuazioni dovute alla struttura solida, che i campi elettromagnetici devono attraversare.

A fronte di ciò, l’antenna incorporata 520 del dispositivo di rilevazione 500 non può di per sé garantire una comunicazione remota, a causa di limiti intrinseci dovuti principalmente alle sue ridotte dimensioni.

I mezzi elettromagnetici 511 svolgono una funzione di espansione e concentrazione elettromagnetica, cioà ̈ di concentrare un campo elettromagnetico esterno, e la relativa energia, sull’antenna incorporata 520 del dispositivo 500; e, analogamente, di espandere un campo elettromagnetico associato all’antenna incorporata 520, e la relativa energia, verso l’antenna remota 221.

In una forma di realizzazione preferita, i mezzi elettromagnetici 511 comprendono almeno due antenne, una prima antenna 21 ed una seconda antenna 22, collegate tra loro mediante mezzi di connessione 23. Tali mezzi di connessione 23 possono essere ad esempio una semplice linea di trasmissione o un altro circuito.

La prima antenna 21 comunica con l’antenna incorporata 520, mediante campi elettromagnetici, e preferibilmente mediante accoppiamento di campo magnetico (cioà ̈ accoppiamento magnetico in campo vicino).

La seconda antenna 22 comunica con l’antenna remota, ad esempio l’antenna 221 del sistema esterno di controllo e raccolta dati, mediante accoppiamento di campi elettromagnetici (cioà ̈ accoppiamento elettromagnetico in campo lontano).

Ciascuna di dette prima e seconda antenna 21 e 22 può essere un dipolo magnetico o un dipolo hertziano o anche altro tipo di antenna nota, purché in grado di svolgere le funzioni sopra descritte.

Nella forma di realizzazione illustrata in figura 14, la prima antenna 21 dei mezzi elettromagnetici 511 comprende una spira 21 (mostrata anche in figura 7). I mezzi di connessione 23 dei mezzi elettromagnetici 511 comprendono un circuito di adattamento 23 (matching network), di per sé noto. La seconda antenna 22 dei mezzi elettromagnetici 511 comprende un’antenna a dipolo hertziano 22.

La spira 21 à ̈ posta vicino al dispositivo di rilevazione 500 e si sviluppa intorno ad esso, in un modo tale da accoppiarsi magneticamente con l’antenna incorporata 520. Le correnti indotte dall’antenna incorporata 520 sulla spira 21, che funge da dipolo magnetico, vengono trasferite all’antenna a dipolo hertziano 22. Tale trasferimento à ̈ preferibilmente mediato dal circuito di adattamento 23, che consente di migliorare le prestazioni complessive dei mezzi elettromagnetici 511.

Il modulo di monitoraggio 100 comprende ulteriormente un supporto 3, ad esempio di materiale polimerico, su cui sono posizionati, ad esempio mediante incollatura, il dispositivo di rilevazione 500 ed i mezzi elettromagnetici 511. Tale supporto 3 svolge principalmente le funzioni di mantenere solidali tra loro il dispositivo di rilevazione 500 ed i mezzi elettromagnetici 511, ed inoltre di mantenere il modulo di monitoraggio 100 in una prefissata posizione all’interno della struttura da monitorare, come verrà illustrato in seguito.

Secondo una forma realizzativa alternativa, illustrata in figura 15, à ̈ prevista una striscia di supporto di materiale polimerico, tale da poter essere fissata ad una struttura di sostegno 211, ed atta ad alloggiare, a distanze ed in posizioni predefinite, una pluralità di moduli di monitoraggio 100.

Con riferimento alla figura 15, viene ora descritto un sistema di monitoraggio 200 di forza e/o pressione in una pluralità di punti all’interno di una struttura solida 300. Tale sistema 200 comprende una unità di monitoraggio 210 posta all’interno della struttura solida 300; ed una unità di controllo e raccolta dati 220 posta all’esterno e remotamente rispetto alla struttura solida 300.

L’unità di monitoraggio 210 interna comprende una struttura di sostegno 211 passante per i punti da monitorare all’interno della struttura solida 300, e comprende, inoltre, una pluralità di moduli di monitoraggio 100 descritti in riferimento alla figura 14. Ciascuno di tale pluralità di moduli di monitoraggio 100 à ̈ fissato alla struttura di sostegno 211 in una posizione nota e predefinita.

L’unità esterna di controllo e raccolta dati 220 comprende l’antenna esterna 221 sopramenzionata, in grado di comunicare elettromagneticamente con i mezzi elettromagnetici 511 dei moduli di monitoraggio 100. Tale unità 220 comprende inoltre mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati 222, atti a ricevere, memorizzare ed elaborare dati provenienti da una pluralità di moduli di monitoraggio 100 rappresentativi dei valori di pressione da monitorare. L’unità 220 comprende anche mezzi di alimentazione e tele-alimentazione 223, atti a fornire energia di alimentazione all’unità esterna di controllo e raccolta dati 220 ed energia di telealimentazione all’unità di monitoraggio 210 interna alla struttura 300, tramite l’antenna 221.

Nell’esempio della figura 15, la struttura da monitorare à ̈ un pilastro di cemento armato 300, comprendente tondini di rinforzo in acciaio 301, che possono anche essere usati da struttura di sostegno 211.

In una forma di realizzazione (non mostrata), l’antenna esterna 221 e la seconda antenna 22 possono essere assenti ed almeno un modulo di monitoraggio 100 può essere collegato tramite un cavo all’unità esterna di controllo e raccolta dati 220.

In riferimento alle figure 16-21 à ̈ di seguito descritto, in diverse forme di realizzazione, un apparato di test configurato per testare il dispositivo di rilevazione 400-700’ della presente invenzione. Tale apparato di test à ̈ indicato con i riferimenti numerici 800, 802, 803, 806 e nelle seguenti figure elementi uguali o analoghi sono indicati dagli stessi riferimenti.

In riferimento alla figura 16, il dispositivo elettronico integrato IC che formerà il dispositivo di rilevazione dell’invenzione, per esempio il dispositivo 400, viene testato sotto forma di fetta o wafer impiegando un apparato di test 800 comprendente sonde di test S collegate elettricamente al circuito IC tramite delle piazzole di contatto (o pad) 20 ed un elettrodo di test 801, in materiale conduttivo. Tale elettrodo di test 801 à ̈ attuabile meccanicamente per traslare in direzione sostanzialmente ortogonale alla superficie operativa 52, cioà ̈ al di sopra degli elementi conduttivi 53, 54 integrati nel circuito IC per eseguire il test del sensore capacitivo. La direzione ed i versi di tali traslazioni sono schematicamente indicati mediante la freccia bidirezionale H.

In una forma di realizzazione (non mostrata) uno strato di materiale dielettrico elasticamente deformabile à ̈ previsto tra l’elettrodo di test 801 e lo strato di passivazione 59 del circuito IC per evitare il danneggiamento della superficie del circuito integrato IC nel caso in cui l’elettrodo 801 vada in contatto con essa.

In riferimento alla figura 17, l’elettrodo di test 801 viene movimentato nella direzione e versi indicati dalla freccia H da un rispettivo apparato di attuazione 800’ posto, ad esempio, al di sopra di una probe card tradizionale di un apparato di test. Tale elettrodo di test 801 può essere movimentato, ad esempio, mediante un azionamento di tipo piezoelettrico o elettromeccanico. Nel caso di azionamento piezoelettrico, un elemento piezoelettrico si flette permettendo all’elettrodo di test 801 di muoversi. Nel caso di azionamento elettromeccanico, un avvolgimento (coil) attrae o respinge un rispettivo elemento magnetico solidale all’elettrodo di test 801 per movimentarlo. Possono essere presenti vari altri elementi meccanici, come ad esempio: molle, perni, aste flessibili, guide meccaniche.

In una forma di realizzazione alternativa, mostrata in figura 18, l’apparato di test 802 comprende un elettrodo di test 801 mantenuto fisso, ad esempio fissato sulla probe card, mentre il dispositivo di supporto CP (chuck prober) del wafer 803 del circuito IC viene movimentato nella direzione e verso indicato dalla freccia bidirezionale H.

In generale, l’elettrodo di test 801 ed il dispositivo elettronico integrato IC sono reciprocamente movimentabili lungo la direzione predeterminata H ortogonale alla superficie operativa 52 al dispositivo per variare la distanza tra l’elettrodo stesso 801 e tale superficie operativa 52.

In riferimento alla forma di realizzazione di figura 19, nel caso in cui il circuito integrato IC da testare comprenda anche l’elemento di rilevazione 58, à ̈ impiegabile l’apparato di test 800 in cui l’elettrodo di test 801 mobile opera in modo equivalente a quanto sopra descritto, cioà ̈ tale elettrodo 801 à ̈ attuabile meccanicamente per essere movimentato nella direzione della freccia H al di sopra dell’elemento di rilevazione 58 per eseguire il test del sensore capacitivo. In alternativa, l’elettrodo di test 801 può rimanere fisso ed il dispositivo di supporto del wafer (chuck prober) del circuito IC viene movimentato nella direzione e verso della freccia bidirezionale H.

In riferimento alla figura 20, nel caso in cui il circuito integrato IC da testare comprenda sia l’elemento di rilevazione 58 sia l’antenna incorporata 520, il circuito IC sotto forma di wafer può essere testato in modalità senza contatto (contactless) tramite un apparato di test 803 sprovvisto di sonde S, ma comprendente l’elettrodo di test 801 traslabile. L’elettrodo mobile 801 ha, per esempio, proprietà magnetiche oppure à ̈ rivestito da un coating magnetico. In particolare, l’elettrodo di test 801 à ̈ operativamente associato ad una bobina 805 per fornire, durante il movimento nella direzione H energia al circuito integrato IC e/o comunicare con esso. Anche in questo caso, in una realizzazione alternativa l’elettrodo di test 801 può rimanere fisso ed il dispositivo di supporto del wafer (chuck prober) del circuito integrato IC viene movimentato nella direzione e verso della freccia H.

In riferimento alla forma di realizzazione della figura 21, l’apparato di test 806 à ̈ configurato per eseguire il test sul circuito integrato IC in modalità senza contatto (contactless) mediante l’impiego di una apparecchiatura o modulo di test automatico 807 o ATE (Automatic Test Equipment) collegato ad una rispettiva antenna 808, per esempio di tipo hertziano o magnetico.

Tale apparato di test 806 può prevede l’impiego di un laser 809, di sistema ottico, ad esempio una lente 809a e di uno specchio 809b per eseguire una operazione di fine tuning (o trimming), nota ad un esperto del settore, sulla capacità del condensatore C1 e/o C2. Tale operazione, ad esempio, può prevedere il taglio di porzioni di metal che formano una armatura di tale condensatore, ad esempio l’elemento di rilevazione 58.

In una ulteriore forma di realizzazione l’apparato di test 806 può eseguire il test contactless anche alla sola espansione elettromagnetica 511 usando sempre il modulo ATE 807 (Automatic Test Equipment) collegato all’antenna 808. A tal fine, al posto del circuito integrato IC à ̈ impiegabile un circuito puramente passivo ad esempio un circuito LC per poter misurare la frequenza di risonanza del sistema per eseguire un fine tuning. Tale circuito LC può contenere un induttore equivalente all’antenna incorporata 520 le cui terminazioni sono collegate a due armature capacitive simili agli elementi conduttivi 53, 54.

In alternativa, Ã ̈ possibile eseguire il test e il fine tuning del solo condensatore usando ad esempio un circuito puramente passivo costituito da due armature capacitive simili agli elementi conduttivi 53, 54 collegate al modulo ATE 807.

Come si può constatare, lo scopo della presente invenzione à ̈ raggiunto dal dispositivo di rilevazione 400, 400a, 500, 500’, 600, 600’, 700, 700’ (nonché dal modulo di monitoraggio e dal sistema di monitoraggio secondo l’invenzione), in virtù delle proprie caratteristiche.

Infatti, il dispositivo di rilevazione della presente invenzione permette di rilevare con precisione la forza e/o pressione e/o sforzo meccanico presente in un punto da monitorare all’interno di una struttura solida 300.

Inoltre, vantaggiosamente, le caratteristiche costruttive del suddetto dispositivo di rilevazione lo rendono sostanzialmente insensibile agli effetti di corrosione che sono presenti all’interna della struttura solida 300.

Il modulo ed il sistema di monitoraggio secondo l’invenzione si basano sul dispositivo secondo l’invenzione, e ne godono dei relativi benefici.

Inoltre, il sistema descritto può essere impiegato per misurare la pressione di fluidi, ad esempio all’interno di serbatoi o impianti chimici, o la pressione dello stesso materiale edilizio prima che esso si solidifichi formando la struttura solida 300.

Alle forme di realizzazione del dispositivo di rilevazione, e del modulo e del sistema di monitoraggio sopra descritte, un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti anche congiuntamente all’arte nota, creando anche implementazioni ibride, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims (22)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) su una piastrina (chip) di materiale semiconduttore per la rilevazione di pressione correlata ad una forza (F) applicata lungo una direzione predeterminata (d) all’interno di una struttura solida (300), comprendente: - un elemento integrato (51) delimitato da una superficie operativa della piastrina (52) sostanzialmente ortogonale alla direzione (d) di applicazione di detta forza; - un primo (53) ed un secondo (54) elemento conduttivo alloggiati in detto elemento integrato (51) e configurati per essere affacciati verso detta superficie operativa; - un modulo di misura (55) alloggiato in detto elemento integrato e comprendente un primo (56) ed un secondo (57) terminale di misura collegati elettricamente con il primo (53) e con il secondo (54) elemento conduttivo, rispettivamente; - un elemento di rilevazione (58) disposto lungo detta direzione predeterminata (d) in modo che detta superficie operativa (52) sia interposta tra il primo (53) ed il secondo (54) elemento conduttivo e detto elemento di rilevazione (58); - uno strato di isolamento (59) atto a rivestire almeno detta superficie operativa per isolare galvanicamente detti primo (53) e secondo (54) elemento conduttivo da detto elemento di rilevazione (58), in cui il dispositivo comprende uno strato di materiale dielettrico (510, 510’) almeno interposto tra l’elemento di rilevazione (58) e detto strato di isolamento (59), detto strato di materiale dielettrico essendo elasticamente deformabile in seguito all’applicazione di detta forza (F) lungo la direzione predeterminata per modificare un accoppiamento elettromagnetico tra detto elemento di rilevazione (58) e detti primo (53) e secondo (54) elemento conduttivo.
2. 2. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1, in cui detti primo (53) e secondo (54) elemento conduttivo sono elementi metallici.
3. 3. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti primo (53) e secondo (54) elemento conduttivo sono piastre metalliche aventi struttura interdigitata.
4. 4. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’ ;700 ,700’) secondo la rivendicazione 1, in cui detto elemento di rilevazione (58) à ̈ un elemento conduttivo in un sol pezzo.
5. 5. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 4, in cui detto elemento conduttivo (58) à ̈ in materiale resistente alla corrosione.
6. 6. Dispositivo elettronico integrato (600, 600’) secondo la rivendicazione 1, in cui detto elemento di rilevazione (58) à ̈ un elemento conduttivo distribuito almeno parzialmente all’interno dello strato di materiale dielettrico (510’).
7. 7. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1, in cui detto strato di materiale dielettrico deformabile (510; 510’) à ̈ configurato per includere almeno parzialmente detto elemento di rilevazione (58).
8. 8. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1, in cui detto strato di materiale dielettrico deformabile (510, 510’) à ̈ realizzato in un materiale avente modulo di Young inferiore a 20 GPa, preferibilmente inferiore a 10 GPa.
9. 9. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1 o 8, in cui detto strato di materiale dielettrico (510, 510’) deformabile à ̈ realizzato in un polimero o elastomero.
10. 10. Dispositivo elettronico integrato (600, 600’) secondo la rivendicazione 6, in cui detto elemento di rilevazione (58) comprende una molteplicità di microparticelle metalliche distribuite all’interno dello strato di materiale dielettrico (510’).
11. 11. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente mezzi elettromagnetici (511) per la trasmissione/ricezione di segnali ed energia elettromagnetici tra il modulo di misura (55) ed un sistema esterno al dispositivo elettronico, detti mezzi elettromagnetici (511) essendo accolti in uno strato di supporto (530; 510’) del dispositivo.
12. 12. Dispositivo elettronico integrato (400a) secondo la rivendicazione 11, in cui detto strato di supporto (530) Ã ̈ disposto lungo detta direzione predeterminata (d) in modo che lo strato di materiale dielettrico (510) sia interposto tra lo strato di isolamento (59) e detto strato di supporto.
13. 13. Dispositivo elettronico integrato (400a) secondo la rivendicazione 12, in cui detto strato di supporto (530) comprende una cavità passante (531) realizzata lungo detta direzione predeterminata (d) in corrispondenza dell’elemento di rilevazione (58).
14. 14. Dispositivo elettronico integrato (500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 11, in cui detto strato di supporto (510’) à ̈ in materiale dielettrico elasticamente deformabile e comprende anche l’elemento di rilevazione (58) risultando almeno parzialmente contiguo allo strato di isolamento (59) in corrispondenza della superficie operativa della piastrina (52).
15. 15. Dispositivo elettronico integrato (500’) secondo la rivendicazione 14, in cui detto strato in materiale dielettrico elasticamente deformabile (510’) include un primo strato (512) dielettrico interposto tra detto elemento di rilevazione (58) e lo strato di isolamento (59), detto primo strato dielettrico (512) avendo una costante dielettrica (εr) maggiore della costante dielettrica dello strato dielettrico deformabile.
16. 16. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 4, in cui detta piastra metallica (58) ha una struttura interdigitata.
17. 17. Dispositivo elettronico integrato (700, 700’) secondo la rivendicazione 7, inoltre comprendente un rivestimento (package) (60) atto a ricoprire porzioni del dispositivo non ricoperte dallo strato di isolamento (59).
18. 18. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo elemento conduttivo (53) e detto elemento di rilevazione (58) formano le armature di un primo condensatore (C1), detto secondo elemento conduttivo (54) e detto elemento di rilevazione (58) formano le armature di un secondo condensatore (C2), detti primo e secondo condensatore essendo collegati in serie tra loro.
19. 19. Dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1, in cui detto modulo di misura (55) à ̈ configurato per generare una tensione continua o alternata a frequenza predefinita.
20. 20. Modulo di rilevazione e monitoraggio (100) comprendente: - un dispositivo elettronico (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’ di rilevazione di pressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-19; - i mezzi elettromagnetici (511) per la trasmissione/ ricezione di segnali per telecomunicazioni e scambio di energia tra una prima antenna (520) associata al dispositivo elettronico ed una seconda antenna (221) esterna al modulo di rilevazione e distante da quest’ultimo, in cui la prima antenna (520), i mezzi elettromagnetici (511) e la seconda antenna (221) sono operativamente collegati attraverso accoppiamento magnetico o elettromagnetico in modalità wireless.
21. 21. Sistema di monitoraggio (200) di pressione in una pluralità di punti all’interno di una struttura solida (300), comprendente: - una unità di monitoraggio (210) posta all’interno della struttura solida (300); - una unità di controllo e raccolta dati (220) posta all’esterno della struttura solida (300) e distante da quest’ultima, in cui: - l’unità di monitoraggio (210) comprende: • una struttura di sostegno (211) passante per i punti da monitorare all’interno della struttura solida (300), • una pluralità di moduli di monitoraggio (100) in accordo con la rivendicazione 20, ciascun modulo di detta pluralità di moduli essendo fissato alla struttura di sostegno (211) in una posizione nota e predefinita per rilevare la pressione ; - l’unità di controllo e raccolta dati (220) comprende: • una antenna (221); • mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati (222), atti a ricevere, mediante detta antenna, memorizzare ed elaborare dati provenienti da detta pluralità di moduli di monitoraggio (100), • mezzi di alimentazione e telealimentazione (223), atti a fornire energia di alimentazione all’unità di controllo e raccolta dati (220) ed energia di tele-alimentazione all’unità di monitoraggio (210), tramite detta antenna (221).
22. 22. Apparecchiatura di test (800;802;803) per testare un dispositivo elettronico integrato (400; 400a; 500, 500’; 600, 600’; 700, 700’) secondo la rivendicazione 1, comprendente un elettrodo di test (801), detto elettrodo di test e detto dispositivo elettronico integrato essendo reciprocamente movimentabili lungo una direzione predeterminata (H) ortogonale alla superficie operativa (52) al dispositivo per variare una distanza tra detto elettrodo di test (801) e detta superficie operativa (52).