ITTO20010705A1 - Modulatore elettromeccanico a sovracampionamento autocalibrante e relativo metodo di autocalibrazione. - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento autocalibrante e ad un relativo metodo di autocalibrazione.

Come è noto, l'impiego di sensori di tipo microelettromeccanico, o sensori MEMS (dall'inglese "Micro-Electro-Mechanical System"), a sbilanciamento capacitivo differenziale è stato proposto per realizzare, ad esempio, accelerometri lineari o rotazionali e sensori di pressione.

In particolare, i sensori MEMS del tipo indicato comprendono un corpo fisso (statore) e una massa mobi- ' le, generalmente di materiale semiconduttore opportunamente drogato, fra loro collegati mediante elementi di sospensione elastica (molle) e vincolati in modo che la massa mobile abbia, rispetto allo statore, gradi di libertà prefissati, traslatori e/o rotatori. Inoltre, lo statore e la massa mobile presentano una pluralità di bracci fissi e, rispettivamente, mobili, fra loro interdigitati. In pratica, ogni braccio mobile è interposto fra una coppia di bracci fissi, in modo da formare una coppia di condensatori aventi un terminale in comune e capacità dipendente dalla posizione relativa dei bracci stessi, ossia dalla posizione relativa della massa mobile rispetto allo statore (capacità di "sensing") . I bracci fissi sono poi collegati a terminali di sensing esterni. Quando un sensore viene sollecitato, la sua massa mobile si sposta e si verifica uno sbilanciamento fra le capacità dei condensatori, che può essere rilevato ai terminali di sensing.

Inoltre, i sensori MEMS sono provvisti di condensatori di attuazione, realizzati fra lo statore e la massa mobile e collegati a terminali di attuazione esterni. Quando su tali terminali di attuazione viene fornita una tensione, fra le armature dei condensatori di attuazione viene esercitata una forza elettrostatica di attuazione (sempre di tipo attrattivo) che permette di spostare la massa mobile rispetto allo statore. I terminali di attuazione possono anche coincidere con i terminali di sensing.

I sensori MEMS vengono normalmente associati a componenti elettronici di lettura e di controllo, con cui formano modulatori elettromeccanici a sovracampionamento

Per maggior chiarezza, si faccia riferimento alla figura 1, in cui è mostrato un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento 1 comprendente un sensore MEMS 2, ad esempio un accelerometro di tipo lineare, un integratore di carica 3, un quantizzatore 4 a un bit e un attuatore di retroazióne 5, fra loro collegati in modo da formare un anello di controllo. Più in dettaglio, il sensore MEMS 2, l'integratore di carica 3 e il quantizzatore 4 formano la linea di andata dell'anello di controllo, mentre 1'attuatore di retroazione 5, collegato fra un'uscita del quantizzatore 4 e un ingresso di attuazione 2a del sensore MEMS 2, forma la linea di retroazione .

Il sensore MEMS 2 è collegato all'integratore di carica 3 che, in una fase di sensing, rileva lo sbilanciamento capacitivo del sensore 2 stesso e fornisce su una propria uscita, collegata a un ingresso del quantizzatore 4, un segnale analogico VM correlato a tale sbilanciamento capacitivo. Il quantizzatore 4 genera in uscita una sequenza di bit ( "bitstream") BS, in cui ogni bit è rappresentativo del segno del segnale analogico VM ad un rispettivo istante di campionamento.

L'attuatore di retroazione 5 riceve in ingresso il bitstream BS e, in una fase di attuazione successiva alla fase di sensing, fornisce all'ingresso di attuazione 2a del sensore MEMS 2 una tensione di attuazione di retroazione VFB per contrastare lo spostamento della massa mobile del sensore MEMS 2 e riportarla nella po-sizione di riposo.

In un sensore MEMS ideale, in assenza di sollecitazioni esterne e senza tensioni applicate ai terminali di attuazione, i bracci mobili dovrebbero trovarsi esattamente in una posizione intermedia fra i rispettivi bracci fissi affacciati e le capacità dovrebbero essere bilanciate. Ciò implica che in un modulatore elettromeccanico ideale la massa mobile del sensore MEMS dovrebbe oscillare intorno alla posizione di riposo nominale e il bitstream BS dovrebbe avere media nulla (ossia il bitstream BS dovrebbe essere formato da una sequenza di bit aventi valori logici alternati, ad esempio 1 -1 1 -1 ...).

In realtà, nonostante l'elevatissima precisione delle tecniche di microlavorazione impiegate per realizzare i sensori MEMS, è inevitabile che la massa mobile sia affetta da un offset di posizione e quindi, anche in condizioni di riposo, i bracci mobili non sono equidistanti dai bracci fissi. Di conseguenza, i sensori MEMS presentano uno sbilanciamento capacitivo intrinseco che, in un modulatore elettromeccanico, causa un offset del bitstream BS (in pratica, la media del bitstream BS non è nulla).

Attualmente, per correggere l'offset dei modulatori elettromeccanici viene effettuato un procedimento calibrazione in fabbrica, che prevede diverse fasi e verrà di seguito brevemente descritto con riferimento alla figura 2, dove sono mostrati, oltre al modulatore elettromeccanico 2, anche un circuito di interfaccia di misura 7 e un circuito di calibrazione 8. In particolare, il circuito di calibrazione 8 è programmabile e fornisce una tensione di calibrazione VCAL a un termina-le di calibrazione 2b del sensore MEMS 2, per esercitare sulla massa mobile del sensore MEMS 2 stesso una forza elettrostatica.

Innanzi tutto, il modulatore elettromeccanico 1 viene posto in uno stato di quiete, in cui il sensore MEMS 2 non subisce sollecitazioni, e l'anello di retroazione viene aperto scollegando l'attuatore di retroazione 5 dal terminale di attuazione 2a del sensore MEMS 2.

Quindi, il circuito di interfaccia di misura 7 viene collegato all'ingresso del quantizzatore 4 e rileva il valore del segnale analogico VM, che nelle con-dizioni descritte è dovuto esclusivamente all'offset di posizione della massa mobile del sensore MEMS 2. In particolare, il circuito di interfaccia di misura 7 genera un segnale di offset VOFF correlato al segnale analogico VM.

Quindi, il circuito di calibrazione 8 viene pro-grammato facendo variare la tensione di calibrazione

VCAL fino a minimizzare il segnale di offset VOFF e ri-portare la massa mobile del sensore MEMS 2 in prossimità della posizione di riposo nominale.

Successivamente, se le capacità di sensing presenti fra la massa mobile e lo statore del sensore MEMS 2 sono sbilanciate, la calibrazione viene completata collegando uno o più condensatori di calibrazione 9 in parallelo alla capacità di sensing minore.

I dispositivi noti presentano alcuni inconvenienti. In primo luogo, la calibrazione può essere eseguita solo in fabbrica e quindi non è possibile assicurare che, nel tempo, la precisione rimanga inalterata. Infatti, le proprietà meccaniche di un sensore MEMS, specialmente per quanto riguarda gli elementi di sospensione elastica, sono influenzate dalle condizioni ambientali (ad esempio dalla temperatura) e comunque variano per l'invecchiamento del sensore MEMS stesso. In pratica, la calibrazione iniziale viene persa e si presenta nuovamente un offset.

Inoltre, i sensori MEMS sono estremamente sensibili e sono in grado di rilevare anche minime vibrazioni. Di conseguenza, è molto difficile creare una condizione di effettiva assenza di sollecitazioni in cui effettuare una calibrazione precisa.

Scopo della presente invenzione è realizzare un modulatore elettromeccanico autocalibrante e un relativo metodo di autocalibrazione, che permettano di superare gli inconvenienti descritti.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento autocalibrante e un relativo metodo di autocalibrazione, come definiti nelle rivendicazioni 1 e, rispettivamente, 11.

Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne viene ora descritta una forma di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 illustra uno schema a blocchi semplificato di un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento di tipo noto;

- la figura 2 illustra uno schema in una fase di calibrazione; e

- la figura 3 illustra uno schema a blocchi semplificato di un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento secondo la presente invenzione;

- la figura 4 mostra una vista prospettica semplificata di un sensore micro-elettromeccanico del modulatore elettromeccanico di figura 3

- la figura 5, 6a-6h, la, 7b mostrano andamenti temporali di grandezze relative al modulatore elettromeccanico di figura 3;

- la figura 8 è uno schema circuitale di un blocco dello schema di figura 3.

L'invenzione trova vantaggiosa applicazione in tutti i casi in cui un sensore micro-elettromeccanico venga utilizzato per rilevare una grandezza il cui spettro di frequenze è sostanzialmente privo della componente continua (ossia non comprende la frequenza nulla). Ad esempio, un modulatore elettromeccanico secondo l'invenzione può essere utilizzato per il controllo di posizione delle testine di lettura e scrittura di dischi rigidi nei calcolatori elettronici.

Con riferimento alla figura 3, un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento 10 comprende un sensore MEMS 11, uno stadio di conversione 12, uno stadio di retroazione 13, uno stadio di rilevamento offset 14 e un circuito di calibrazione 15.

Il sensore MEMS 11, la cui struttura è mostrata in figura 4, nella forma di realizzazione qui descritta è un accelerometro lineare per rilevare un'accelerazione A e comprende uno statore 100 e una massa mobile 101, di materiale semiconduttore opportunamente drogato, fra loro collegati mediante elementi di sospensione elastica 102 (molle) e vincolati in modo che la massa mobile 101 abbia un grado di libertà traslatorio rispetto allo statore 100. Inoltre, lo statore e la massa mobile presentano una pluralità di bracci fissi 104 e, rispettivamente, mobili 105, fra loro interdigitati. In pratica, ogni braccio mobile 105 è interposto fra una coppia di bracci fissi 104, in modo da formare una coppia di condensatori aventi un terminale in comune e capacità dipendente dalla posizione relativa dei bracci stessi, ossia dalla posizione relativa della massa mobile rispetto allo statore.

Con riferimento nuovamente alla figura 3, il sensore MEMS 11 è qui schematizzato mediante un primo e un secondo condensatore di sensing 17, 18, aventi una prima e, rispettivamente, una seconda capacità di sensing Cs1, CS2. In particolare, il primo condensatore di sensing 17 è collegato fra un primo terminale di statore 21 e un terminale comune 20, connesso alla massa mobile 101 del sensore MEMS 11; e il secondo condensatore di sensing 18 è collegato fra un secondo terminale di statore 22 e il terminale comune 20.

Lo stadio di conversione 12 comprende un integratore di carica 24, un quantizzatore 25, un circuito di correzione 26, un decimatore 27 e un filtro IIR 28 collegati in cascata fra loro.

Più in dettaglio, l'integratore di carica 24 presenta una coppia di ingressi collegati al primo e, rispettivamente, al secondo terminale di statore 21, 22 del sensore MEMS 11 e un'uscita 24a collegata a un ingresso del quantizzatore 25 e fornente una tensione analogica VM correlata allo sbilanciamento capacitivo fra i terminali di statore 21, 22.

Il quantizzatore 25, in questo caso un quantizzatore a un bit, ha un'uscita collegata a un ingresso di segnale 26a del circuito di correzione 26 e fornisce una sequenza di bit o bitstream di quantizzazione BSQ, i cui bit sono correlati al segno dello sbilanciamento capacitivo fra i terminali di statore 21, 22, rispetto al terminale comune 20. Il circuito di quantizzazione 26 presenta, inoltre, un ingresso di controllo 26b, collegato allo stadio di retroazione 13, come spiegato più in dettaglio nel seguito, e un'uscita 26c fornente un bitstream di uscita BSo e collegata a un ingresso del decimatore 27, a sua volta collegato in cascata al filtro IIR 28.

Il filtro IIR 28 ha un'uscita 28a formante l'uscita del modulatore 10 e fornente un segnale numerico XK rappresentativo dell'accelerazione A a cui è sottoposto il sensore MEMS 11 in un generico istante di campionamento K.

Lo stadio di retroazione 13 comprende un circuito di controllo smorzamento 30, un compensatore di retroazione 31 e un circuito di controllo attuazione 32.

In dettaglio, il circuito di controllo smorzamento 30 ha un primo ingresso 30a, collegato con l'uscita 26a del quantizzatore 25 e ricevente il bitstream di quantizzazione BSQ, e un secondo ingresso 30b collegato con lo stadio di rilevamento offset 14, come spiegato più avanti. Inoltre, il circuito di controllo smorzamento 30 ha una prima uscita 30c, collegata a un primo ingresso del circuito di controllo attuazione 32 e all'ingresso di controllo 26b circuito di correzione 26 e fornente un primo segnale di controllo retroazione FBC; una seconda uscita 30d, collegata a un secondo ingresso del circuito di controllo attuazione 32 e fornente un secondo segnale di controllo retroazione FBH; e una terza uscita 30e, collegata a un ingresso del compensatore di retroazione 31 e fornente un bitstream di retroazione BSFB.

Il compensatore di retroazione 31 presenta un'uscita 31a fornente un bitstream di compensazione

BSCOMP e collegata a un primo ingresso di un primo selettore 34, avente un secondo ingresso collegato alla terza uscita 30e del circuito di controllo smorzamento 30, in modo da ricevere il bitstream di retroazione BSfb, un ingresso di controllo collegato alla prima uscita 30c del circuito di controllo smorzamento 30, in modo da ricevere il primo segnale di controllo retro-azione FBC, e un'uscita 34a collegata a un terzo ingresso del circuito di controllo attuazione 32.

Il circuito di controllo attuazione 32 comprende un multiplexer 33, un secondo selettore 35 e almeno un primo e un secondo generatore di tensione 36a, 36b, fornenti una prima e, rispettivamente, una seconda ten-sione V1, V2, fra loro distinte (ad esempio, la seconda tensione V2 è maggiore della prima tensione V1). In dettaglio, il multiplexer 33 presenta un primo e un secondo terminale di controllo, collegati alla prima e, rispettivamente, alla seconda uscita 30c, 30d del circuito di controllo smorzamento 30; un primo e un secondo terminale di trasferimento, collegati al primo e, rispettivamente, al secondo generatore di tensione 36a, 36b; e un'uscita 33a, collegata a un ingresso del secondo selettore 35 e fornente una tensione di attuazione VA. In particolare, durante le fasi di autocalibra-zione, la tensione di attuazione VA è uguale alla seconda tensione V2 quando sia il primo, sia il secondo segnale di controllo retroazione FBC, FBH sono alti, e altrimenti uguale alla prima tensione V1. Durante il funzionamento normale del dispositivo, invece, la tensione di attuazione VA viene posta uguale alla seconda tensione V2 ogni volta che viene rilevata una variazione di segno nel bitstream di retroazione BSFB; immedia-tamente dopo, la tensione di attuazione VA viene riportata alla prima tensione V1.

Il secondo selettore 35 ha un terminale dì controllo, collegato all'uscita 34a del primo selettore 34, e una prima e una seconda uscita, collegate al prioC mo e, rispettivamente, al secondo terminale di statore.

21 22 del sensore MEMS 11.

In questo modo, in pratica, i terminali di statore 21, 22 vengono utilizzati anche come terminali di attuazione (con accesso a divisione di tempo) ed è possi-bile esercitare sulla massa mobile 101 del sensore MEMS 11 forze elettrostatiche di retroazione diverse anche in valore assoluto, oltre che in verso. Il valore assoluto è infatti determinato dal valore della tensione di attuazione VA, mentre il verso dipende dal fatto che la tensione di attuazione VA, attraverso il secondo selettore 35, sia fornita al primo o al secondo terminale di statore 21, 22. In pratica, quando la tensione di attuazione è uguale alla seconda tensione V2, viene esercitata una forza in valore assoluto più elevata.

Lo stadio di rilevamento offset 14 comprende un filtro passa-basso 37, un circuito comparatore 38 e un circuito di compensazione offset 39.

In dettaglio, il filtro passa-basso 37, avente frequenza di taglio preferibilmente inferiore a 30 Hz, ha un ingresso collegato all'uscita 28a del filtro IIR 28 e un'uscita 37a, collegata a rispettivi ingressi del circuito comparatore 38 e del circuito di compensazione offset 39 e fornente un segnale filtrato XF, indicativo della componente continua del segnale numerico XK.

Il circuito comparatore 38 presenta inoltre un'uscita collegata al circuito di compensazione offset 39 e al secondo ingresso 30b del circuito di controllo smorzamento 30 e fornente un segnale di abilitazione EN. In particolare, il segnale di abilitazione EN assume un primo valore logicò (ad esempio alto) quando fi segnale filtrato XF è superiore a una prefissata soglia e un secondo valore logico (basso), in caso contrario; inoltre, tale soglia è preferibilmente programmabile, in modo di per sé noto.

Il circuito di compensazione offset 39 ha un'uscita 39a collegata al circuito di calibrazione 15 e fornente un segnale di calibrazione CAL, che indica il valore di una capacità di calibrazione da collegare al sensore MEMS 11 per compensare la presenza di eventuali offset, come spiegato più avanti.

Il circuito di calibrazione 15 comprende un registro 40 a N bit (ad esempio N = 7) e una rete capacitiva programmabile 41.

Il registro 40 ha un ingresso di scrittura collegato con l'uscita 39a del circuito di compensazione offset 39, in modo da ricevere il segnale di calibrazione CAL; uscite di programmazione 40.1,...,40.N-1, collegate a rispettivi ingressi di programmazione della rete capacitiva programmabile 41 e fornenti rispettivi segnali di programmazione B1-BN-1; e un'uscita di segno 40.N, fornente un bit di segno BN.

La rete capacitiva programmabile 41 (di cui la figura 8 mostra un esempio di realizzazione) è selettiva-mente collegabile in parallelo al primo o al secondo condensatore di sensing 17, 18. Più in dettaglio, la rete capacitiva programmabile 41 ha un primo terminale collegato al terminale 20 comune del sensore MEMS 11 e un secondo terminale collegato a un ingresso 43a di un terzo selettore 43, avente inoltre un terminale di controllo collegato all'uscita di segno 40.N del registro 40 e un prima e una seconda uscita collegate al primo e, rispettivamente, al secondo terminale di statore 21, 22 del sensore MEMS 11. Inoltre, la rete capacitiva programmabile 41 presenta una capacità di calibrazione CCAL variabile fra un valore minimo e un valore massimo (ad esempio 0,45 fF e, rispettivamente, 28,8 fF) con incrementi discreti di passo ΔCCAL, ad esempio di 0,45 fF. In altre parole, la capacità di calibrazione CCAL può assumere un prefissato numero di valori discreti compresi fra il valore massimo e il valore minimo e il passo ΔCCAL rappresenta l'incremento unitario fra due qualsiasi valori successivi.Il funzionamento del modulatore a sovracampionamento 10 è il seguente.

Il modulatore elettromeccanico 10 è temporizzato in modo di per sé noto e presenta cicli di temporizzazione aventi durata prefissata.

In condizioni operative normali, ossia quando le capacità CS1, CSz dei condensatori di sensing 17, 18 so-no a riposo bilanciate, la componente continua del segnale numerico XK è sostanzialmente assente, dato che la banda della grandezza rilevata dal sensore MEMS 11 (accelerazione A) non comprende la frequenza nulla.

In questo caso, il segnale filtrato XF generato dal filtro passa-basso 37 è inferiore alla soglia del comparatore 38, il segnale di abilitazione EN è basso e il circuito di compensazione offset 39, che è disabilitato, mantiene il segnale di calibrazione CAL sull'uscita 39a a un valore nullo. Inoltre, in quando il segnale di abilitazione EN è basso, il circuito di controllo smorzamento 30 pone i segnali di controllo retroazione FBC, FBH a un primo valore logico, ad esempio basso. In questa condizione, il bitstream di retroazione BSFB e il bitstream di uscita BSo sono uguali al bitstream quantizzato BSQ, che ha sostanzialmente media nulla, e, inoltre, il selettore di retroazione 34 collega la propria uscita 34a con l'uscita 31a del compensatore di retroazione 31. In base all'andamento del bitstream di retroazione BSFB, il circuito di controllo attuazione 32 seleziona uno dei valori della tensione di attuazione VA e lo fornisce selettivamente a uno dei terminali di statore 21, 22 del sensore MEMS 11, in modo di per sé noto e descritto, ad esempio in "A Fully Differential Lateral ΣΔ Accelerometer with Drift Cancellation Circuitry", di M.A. Lemkin, B.E. Boser e D.M. Auslander, Solid-State Sensor and Actuator Workshop’, Hilton Head, South Carolina, 1996. In pratica, il modulatore elettromeccanico 11 implementa un convertitore anaologico-digitale sostanzialmente del tipo sigmadelta; è comunque opportuno precisare che i modulatori elettromeccanici a sovracampionamento presentano alcune peculiarità per cui non possono essere rigorosamente ricondotti alla tipologia dei convertitori sigma-delta, come è noto ed è spiegato nell'articolo citato.

Se, invece, le capacità presenti fra i terminali di statore 21, 22 e il terminale comune 20 non sono a riposo bilanciate, nella banda del segnale numerico XK è presente una componente continua non nulla. Di conseguenza, il segnale filtrato XF è diverso da zero e, se supera la soglia del comparatore 38, attiva una fase di autocalibrazione. In particolare, il segnale di abilitazione EN commuta, portandosi allo stato alto, e attiva il circuito di compensazione offset 39 che, utilizzando il segnale filtrato XF, determina un valore del segnale di calibrazione CAL. Il segnale di calibrazione CAL, ora non nullo, viene quindi utilizzato per modificare il contenuto del registro 40 e, di conseguenza, il valore della capacità di calibrazione CCAL della rete capacitiva programmabile 41. In particolare, il segnale di calibrazione CAL determina alternativamente un aumento o una diminuzione di un passo ACCAL della capacità di calibrazione CCAL, a seconda del segno del segnale filtrato XF. Inoltre, il valore del bit di segno BN fornito dall'uscita di segno 40.N del registro 41 comanda il terzo selettore 43 in modo da collegare la rete capacitiva programmabile 41 in parallelo a uno fra il primo e il secondo condensatore di statore 17, 18, in particolare quello avente capacità minore.

Secondo l'invenzione, in pratica, lo stadio di conversione 12, lo stadio di rilevamento offset 14 e il circuito di calibrazione 15 formano con il sensore MEMS 11 un anello di controllo di calibrazione. In questo modo, è possibile rilevare automaticamente ed eliminare gli effetti dovuti a offset di posizione della massa mobile 101 o a sbilanciamenti capacitivi intrinseci del sensore MEMS 11, che danno origine a una componente continua del segnale numerico XK. Infatti, ogni volta che il segnale filtrato XF supera la soglia del compa-ratore 38, viene attivata una fase di calibrazione, durante la quale il valore della capacità di calibrazione CCAL viene variato di un passo ΔCCAL, in modo da riequi-librare le capacità CS1, CS2 dei condensatori di statore 17, 18. Dato che i fenomeni che causano derive e la comparsa di offset nei sensori MEMS sono lenti rispetto alle variazioni delle grandezze operative elettriche, un solo passo di calibrazione è in genere sufficiente a eliminare la componente continua del segnale numerico XK. In caso contrario, tuttavia, al termine del primo passo di calibrazione viene di nuovo automaticamente rilevata la presenza di una componente continua residua nella banda del segnale numerico XK e, in modo iterati-vo, viene eseguito un nuovo passo di calibrazione.

Il modulatore elettromeccanico 10 agisce anche in modo da ridurre le sollecitazioni meccaniche sul sensore MEMS 11 e le distorsioni del segnale numerico XK che si verificano durante un transitorio di assestamento della fase di autocalibrazione, in particolare a causa delle variazioni imposte alla capacità di calibrazione CCAL della rete capacitiva programmabile 41. Come è no-to, infatti, tali variazioni modificano le forze elet-trostatiche in media applicate alla massa mobile 101 del sensore MEMS 11, che quindi si stabilizza, con oscillazioni smorzate, intorno a una nuova posizione media di equilibrio XE (si veda in proposito la figura 5, dove l'istante in cui viene modificata la capacità di calibrazione CCAL è indicato con T0 e la durata del transitorio di assestamento è indicata con TTR) .

In dettaglio, quando il segnale filtrato XF supera la soglia del comparatore 38 (istante T0), il segnale di abilitazione EN viene posto allo stato alto e abili-ta il circuito di compensazione offset 39, come già spiegato. Inoltre, quando il segnale di abilitazione EN è alto, il circuito di controllo smorzamento 30 pone il primo segnale di controllo retroazione FBC a un secondo valore logico (alto), mentre il secondo segnale di con-trollo retroazione FBH rimane basso. In questo modo, il primo selettore 34 commuta e collega la propria uscita 35a con la terza uscita 30e del circuito di controllo smorzamento 30, in pratica disattivando il compensatore di retroazione 31; inoltre, il multiplexer 33 pone la tensione di attuazione VA pari alla prima tensione V1 (figura 6d).

Con riferimento anche alle figure 6a-6h, a partire dall'istante T0 il circuito di controllo smorzamento 30 modifica il bitstream di retroazione BSFB nel modo di seguito descritto. Inizialmente e fino a un istante T1, in cui la tensione analogica VM cambia per la prima volta di segno (figura 6b), il bitstream di retroazione BSFB rimane a uno stesso valore costante (figura 6c). In questa fase, la tensione di attuazione VA è pari alla prima tensione V1 e una forza elettrostatica F costante in valore assoluto e in verso viene applicata alla massa mobile 101 del sensore MEMS 11 in modo da spostare la massa mobile 101 stessa verso la nuova posizione di equilibrio XE (figure 6d, 6e). Inoltre, quando, all'istante T0, il primo segnale di controllo retroaziqne FBC commuta portandosi allo stato alto, il circuito di correzione 26 modifica il bitstream di uscita BS0 e fornisce una sequenza di bit a media nulla (+1 -1 1 -1 ...).

All'istante T1, il bitstream di retroazione BSFB commuta e il circuito di controllo smorzamento 30 pone il secondo segnale di controllo retroazione FBH allo stato alto (figura 6f). Di conseguenza, la tensione di attuazione VA è ora uguale alla seconda tensione V2; inoltre, la forza elettrostatica F cambia verso e ha modulo maggiore che nell'intervallo di tempo compreso fra gli istanti T0 e Τ1 (figure 6d, 6e)

Quindi, mentre in un ciclo di temporizzazione immediatamente successivo all'istante Τ1 i segnali di controllo retroazione FBC, FBH vengono riportati al va-lore basso (figure 6f, 6g), il bitstream di retroazione BSFB viene mantenuto costante per un prefissato numero M di cicli di temporizzazione. A questo punto il circuito di controllo smorzamento 30 e il circuito di correzione 26 tornano alle condizioni di funzionamento normali e i bitstream di retroazione BSFB e di uscita BS0 vengono nuovamente posti pari al bitstream di quantizzazione BSC; inoltre, il segnale di abilitazione EN commuta e si riporta allo stato basso.

Dato che al segnale analogico VM è sovrapposto .un rumore residuo ad alta frequenza, l'istante T1 in cui per la prima volta dopo l'istante T0 il segnale analo-gico VM cambia segno (e il bitstream di retroazione BSFB commuta) precede l'istante T2 in cui la massa mobile 101 del sensore MEMS 11 raggiunge la nuova posizione di equilibrio XE (figura 6a). In pratica, per evitare che nel movimento della massa mobile 101 si verifichino sovraelongazioni troppo accentuate oltre la nuova posizione di equilibrio XE, la massa mobile 101 stessa viene decelerata inizialmente con un primo impulso di forza elettrostatica F contrario alla direzione di moto e di modulo elevato e quindi con M impulsi tutti equiversi rispetto al primo impulso, ma di modulo minore. Inoltre, il primo impulso viene fornito in anticipo rispetto all'istante T2 in cui la massa mobile 101 del sensore MEMS 11 raggiunge la nuova posizione di equilibrio XE e gli M impulsi successivi sono tutti equiversi, indipendentemente dalle variazioni di segno del segnale analogico VM e quindi del bitstream di quantizzazione BSe.

Contemporaneamente, l'azione del circuito di correzione 26, che fornisce un bitstream a media nulla durante la fase di autocalibrazione, permette di evitare che il segnale numerico XK presenti picchi di disturbo dovuti agli scompensi transitori che vengono—introdotti nel modulatore elettromeccanico 10 proprio per effettuare 1'autocalibrazione. A titolo di esempio, le figure 7a e 7b mostrano l'andamento del segnale numerico XK in risposta a un stessa forma d'onda di ingresso. In entrambi i casi viene eseguita una fase di autocalibrazione, ma nell'esempio di figura 7a il circuito di correzione 26 è stato disattivato (le frecce individuano l'inizio della fase di autocalibrazione).

Con riferimento alla figura 8, la rete capacitiva programmabile 41 comprende preferibilmente una batteria di condensatori inseribili 45 e una rete capacitiva fissa 46, avente una prefissata capacità e presentante un primo terminale collegato con l'ingresso 43a del terzo selettore 43 e un secondo terminale 46a. Ciascuno dei condensatori inseribili 45 ha un primo terminale collegato al secondo terminale 46a della rete capacitiva fissa 46 e un secondo terminale alternativamente collegabile a massa e al terminale comune 20 del sensore MEMS 11 attraverso un rispettivo selettore di prògrammazione 47; i selettori di programmazione 47 pre— sentano inoltre terminali di comando collegati a una rispettiva fra le uscite di programmazione 40.1,...,40.N-1 del registro 40 e sono comandati ciascuno da un rispettivo bit di programmazione B1-BN-1.

I condensatori inseribili 45 presentano rispettive capacità pesate binariamente, ossia rispettivamente uguali a C0, 2C0, ..., 2<N_1>C0. In pratica, la capacità complessivamente presente fra il secondo terminale 46 del-la rete capacitiva fissa 46 e il terminale comune 20 è pari alla somma delle capacità dei condensatori inseri-bili 45 effettivamente utilizzati e può variare fra C0 e (2<N>—1)C0.

Da quanto sopra esposto, risulta chiaramente che il modulatore elettromeccanico secondo la presente invenzione permette di ottenere i seguenti vantaggi. In primo luogo, è possibile rilevare e correggere automaticamente gli offset che possono sorgere durante l'utilizzo del dispositivo, quindi dopo la calibrazione preliminare effettuata in fabbrica. Inoltre, 1'autocalibrazione può essere eseguita durante il normale funzionamento del modulatore elettromeccanico e non è richiesto che il sensore MEMS 11 sia posto in particolari condizioni di quiete.

Un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che, durante l'autocalibrazione, la struttura microelettromeccanica viene pilotata in modo da non subire sollecitazioni meccaniche violente, che potrebbero danneggiarla. In particolare, il valore massimo di modifica della capacità in fase di calibrazione viene diviso in una pluralità di incrementi unitari e in ciascuna fase di autocalibrazione, la capacità di calibrazione CCAL della rete capacitiva programmabile 41 viene variata di un solo incremento unitario ACCAL; eventualmente, 1'autocalibrazione può essere ripetuta in modo iterativo, se l'offset inizialmente presente non viene completamente eliminato. Inoltre, la massa mobile 101 del sensore MEMS 11 viene decelerata prima che la nuova posizione di equilibrio venga raggiunta, in modo da evitare sovraelongazioni troppo accentuate.

Inoltre, la correzione applicata al bitstream di uscita BSo permette di ridurre notevolmente le distorsioni del segnale numerico XK durante una fase di autocalibrazione .

Risulta infine evidente che al modulatore elettromeccanico descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall'ambito della presente invenzione .

Ad esempio, può essere impiegato un sensore MEMS avente gradi di libertà rotatori e/o traslatori diversi rispetto a quanto illustrato. Inoltre, il circuito di controllo attuazione potrebbe fornire un numero arbi-trario di valori della tensione di attuazione, per poter applicare alla massa mobile forze elettrostatiche di intensità differenti.

Claims (1)

1. R IV E N D I CA Z IO N I 1. Modulatore elettromeccanico a sovracampionamento, comprendente: un sensore micro-elettromeccanico (11), avente una prima e una seconda capacità di rilevamento (CS1, CS2) e fornente una grandezza analogica (VM) correlata a dette prima e seconda capacità di rilevamento (CS1, Cs2 ) uno stadio di conversione (12), fornente almeno un primo segnale numerico (XK) e un secondo segnale numerico (BSQ) correlati a detta grandezza analogica (VM) ; un primo circuito retroazionato di controllo (13) di detto sensore micro-elettromeccanico (11), fornente una grandezza elettrica di attuazione (VA) correlata a detto secondo segnale numerico (BSQ) ; caratterizzato dal fatto di comprendere, inoltre, un secondo circuito retroazionato di controllo (14, 15) per calibrare detto sensore micro-elettromeccanico (11); detto secondo circuito retroazionato di controllo (14, 15) includendo un circuito di rilevamento offset (14) ricevente detto primo segnale numerico (XK) e un circuito di calibrazione programmabile (15) avente una capacità di calibrazione (CCAL) programmabile, collegato a detto sensore micro-elettromeccanico (11) e control-lato da detto circuito di rilevamento offset (14) per bilanciare dette prima e seconda capacità di rilevamento ( Cs1 , Cs2)· 2. Modulatore secondo la rivendicazione 1, carat-terizzato dal fatto che detto circuito di rilevamento offset (14) comprende mezzi filtranti (37) fornenti un segnale filtrato (XF) correlato a una componente conti-nua di detto primo segnale numerico (XK) e mezzi compa-ratori (38) confrontanti detto segnale filtrato (XF) con una prefissata soglia. 3. Modulatore secondo la rivendicazione 1 o 2, ca-ratterizzato dal fatto che detto sensore micro-elettromeccanico (11) comprende un primo e un secondo terminale di rilevamento e attuazione (21, 22) e dal fatto che detto circuito di calibrazione programmabile (15) comprende una rete capacitiva programmabile (41) selettivamente collegabile a detti primo e secondo ter-minale di rilevamento e attuazione (21, 22) e averle una capacità di calibrazione (CCAL) variabile. 4. Modulatore secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi filtranti (37) comprendono un filtro passa-basso avente frequenza di taglio inferiore a 30 Hz. 5. Modulatore secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detto primo circuito retroazionato di controllo (13) di detto sensore microelettromeccanico (11) comprende un circuito di controllo smorzamento (30) e un circuito di controllo attuazione (32). 6. Modulatore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto circuito di controllo attuazione (32) comprende un terminale di attuazione (33a) selettivamente collegabile a detti primo e secondo terminale di rilevamento e attuazione (21, 22) e fornente tensione di attuazione (VA) . 7. Modulatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta tensione di attuazione (VA) presenta almeno un primo e un secondo valore di tensione (V1, V2) fra loro distinti. 8. Modulatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto circuito di controllo attuazione (32) comprende mezzi selettori (35) aventi un ingresso collegato a detto terminale di attuazione (33a) e una prima e una seconda uscita collegate a detti primo e, rispettivamente, secondo terminale di rilevamento e attuazione (21, 22). 9. Modulatore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto circuito di controllo smorzamento (30) presenta una prima e una seconda uscita (30c, 30d), collegate a rispettivi ingressi di detto circuito di controllo attuazione (32) e fornenti un primo e, rispettivamente, un secondo segnale di controllo (FBC, FBh) per selezionare uno fra detti primo e secondo valore di tensione (V1, V2) di detta tensione di attuazione (VA); e una terza uscita (30e) collegabile a un terminale di controllo (34a) di detti mezzi seletto-ri (35) e fornente un segnale di retroazione (BSFB) per collegare detto terminale di attuazione (33a) selettivamente a detti primo e secondo terminale di rilevamento e attuazione (21, 22). 10. Modulatore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto stadio di conversione (12) comprende un circuito di correzione (26) avente un terminale di controllo (26b) collegato a detta prima uscita (30c) di detto circuito di controllo smorzamento (30) e un'uscita (26c) fornente una sequenza di bit (BSo) a media nulla almeno in presenza di un prefissato valore di detto primo segnale di controllo (FBC). 11. Metodo per la calibrazione di un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento, includente un sensore micro-elettromeccanico (11) avente un corpo statorico (100) e una massa mobile (101), fra i quali sono presenti una prima e una seconda capacità di rile-vamento (Cs1, Cs2); il metodo comprendendo le fasi di: fornire una grandezza analogica (VM) correlata a dette prima e seconda capacità di rilevamento (Cs1, Cs2)! generare almeno un primo segnale numerico (XK) correlato a detta grandezza analogica (VM); il metodo essendo caratterizzato dal fatto di com-prendere le fasi di: collegare a detto sensore micro-elettromeccanico (11) un circuito di calibrazione programmabile (15), avente una capacità di calibrazione (CCAL) programmabi-le; modificare detta capacità di calibrazione program-mabile (CCAL) in presenza di una componente continua di detto primo segnale numerico (XK). 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, caratte-rizzato dal fatto che detta fase di modificare compren-de le fasi di: -generare un segnale filtrato (XF) correlato a detta componente continua di detto primo segnale numerico (XK); e confrontare detto segnale filtrato (XF) con una prefissata soglia. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detta fase di generare detto segnale filtrato (XF) comprende filtrare detto primo segnale nu-merico (XK) con frequenza di taglio inferiore a 30 Hz. 14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11-13, caratterizzato dal fatto che detta fase di modificare comprende, inoltre, variare detta capaci-tà di calibrazione programmabile (CCAL) di una prefissata quantità (ΔCCAL). 15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendica-zioni 11-14, caratterizzato dal fatto che detta fase di modificare è seguita dalla fase di smorzare oscillazioni di detta massa mobile (101) di detto sensore microelettromeccanico (11) durante un transitorio di assestamento (TTR). 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, caratte-rizzato dal fatto che detta fase di smorzare oscillazioni comprende le fasi di: fornire a detta massa mobile (101) un primo impulso di forza avente un primo modulo e una direzione contraria a una direzione di moto di detta massa mobile (101); e fornire a detta massa mobile (101) un prefissato numero (M) di secondi impulsi di forza consecutivi, aventi un secondo modulo, minore di detto primo modulo, e detta direzione. 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detta fase di smorzare oscillazioni comprende, inoltre, rilevare un verso di detta grandezza analogica (VM) e dal fatto che detto primo impulso di forza viene fornito in corrispondenza del primo cambiamento di verso di detta grandezza analogica (VM) durante detto transitorio di assestamento (TTR) . 18. Metodo secondo la rivendicazione 16 o 17, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di generare una grandezza elettrica di attuazione (VA) avente almeno un primo valore di tensione (V1) e un secondo valore di tensione (V2), maggiore di detto primo valore di tensione (V1); detta fase di fornire un primo impul-so di forza comprendendo selezionare detto secondo va-lore di tensione (V2) e detta fase di fornire un pre-fissato numero (M) di secondi impulsi di forza consecu-tivi comprendendo selezionare detto primo valore di tensione (V1). 19. Metodo secondo la rivendicazione 11-18 caratterizzato dal fatto che, dopo detta fase di modificare, viene utilizzato un segnale numerico a media nulla (BSo) per generare detto primo segnale numerico (XK) 20. Modulatore elettromeccanico a sovracampionamento, sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure annesse. 21.<' >Metodo per la calibrazione di un modulatore elettromeccanico a sovracampionamento, sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure annesse.