ITTO20070033A1 - Dispositivo microelettromeccanico ad asse z con struttura di arresto perfezionata - Google Patents
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Description
D E SCR IZION E
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo microelettromeccanico ad asse z, dotato di una struttura di arresto perfezionata.
Sono noti dispositivi microelettromeccanici (di tipo MEMS), ad esempio sensori inerziali, accelerometri, giroscopi, ecc., che basano il loro funzionamento sulla presenza di strutture sospese di materiale semiconduttore, che sono fissate ad un substrato in uno o più punti di ancoraggio tramite elementi di sospensione elastici, e sono mobili lungo uno o più assi a seconda della configurazione di tali elementi di sospensione; le strutture sospese formano una o più masse mobili che subiscono spostamenti rispetto al substrato in presenza di stimoli esterni.
In particolare, sono noti dispositivi MEMS ad asse z, comprendenti una massa mobile in grado di ruotare al di fuori di un suo piano xy di estensione principale intorno ad un asse di fulcro definito da relativi elementi di sospensione, originando un movimento risultante lungo un asse z perpendicolare a tale piano. La massa mobile è sbilanciata, in quanto comprende una prima ed una seconda porzione, disposte da parti opposte rispetto agli elementi di sospensione ed aventi un differente momento torcente intorno all'asse di fulcro. Una sollecitazione (ad esempio un'accelerazione) diretta in direzione perpendicolare al piano della massa mobile provoca una sua rotazione (o inclinazione, tilting) intorno all'asse di fulcro, la quantità ed il verso della rotazione essendo correlati all'entità della sollecitazione stessa.
In modo noto, a causa di un evento esterno, ad esempio uno shock, le masse mobili dei dispositivi microelettromeccanici possono subire spostamenti indesiderati di notevole entità al di fuori del loro piano xy di estensione principale, lungo l'asse z, ortogonale a tale piano xy. Tale spostamento può, nel caso peggiore, causare la rottura degli elementi di sospensione associati alle masse mobili, o il danneggiamento delle masse mobili stesse e/o di altri elementi del dispositivo microelettromeccanico.
Per tale motivo, nei dispositivi MEMS ottenuti con processi di fabbricazione planari, sono previste strutture di arresto (generalmente note come stopper) atte a limitare i movimenti delle masse mobili e dei relativi elementi di sospensione, ed evitare così rotture indesiderate.
Le strutture di arresto vengono solitamente realizzate come ribassamenti di un contenitore (package) o cappuccio, che ricopre ed ingloba il dispositivo microelettromeccanico. In particolare, a partire da una faccia interna del contenitore, affacciata ad una faccia superiore della massa mobile, vengono realizzate delle sporgenze dirette verso la massa mobile. Tali sporgenze, o ribassamenti del contenitore, riducono l'escursione del movimento lungo l'asse z della massa mobile, e la massa mobile stessa si arresta andando in battuta su di esse, prima dell'insorgere di danni.
Tuttavia, in corrispondenza dei suoi ribassamenti, il contenitore si viene a trovare in posizione ravvicinata alla massa mobile, per cui, in caso massa mobile e contenitore si trovino a potenziali differenti, si crea un'interazione elettrostatica di entità non trascurabile. Tale interazione può causare spostamenti indesiderati della massa mobile ed in generale malfunzionamenti del dispositivo microelettromeccanico: in dettaglio, nel caso di un dispositivo sensore, si può verificare uno spostamento del livello di zero (ad esempio del livello di 0 g di un accelerometro) in presenza di campì elettrici esterni, o una non raziometricità del segnale di uscita. Tale rischio è piuttosto frequente, in quanto il contenitore (e di conseguenza i ribassamenti ad esso accoppiati) sono generalmente mantenuti o ad un potenziale flottante, per cui non allo stesso potenziale della massa mobile, o ad un potenziale fisso, mentre la massa mobile viene alimentata con potenziali differenti a seconda di una condizione operativa del dispositivo.
Altri tipi di strutture di arresto sono state proposte per ovviare a tali inconvenienti. Ad esempio, nella domanda di brevetto WO-PCTIT0600576, depositata il 26/07/2006 a nome della stessa richiedente, è stata descritta una struttura di arresto comprendente un elemento di arresto accoppiato in modo solidale ad una massa mobile, e configurato in modo da andare in battuta contro una massa di arresto, affacciata alla massa mobile nel piano xy, in risposta ad un movimento spurio lungo l'asse z, in tal modo arrestando tale movimento. In dettaglio, l'elemento di arresto è disposto da parte opposta della massa di arresto rispetto ad un verso del movimento spurio, e fuoriesce dall'ingombro della massa mobile e si estende nell'ingombro della massa di arresto lungo l'asse z.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo microelettromeccanico dotato di una struttura di arresto che costituisca un perfezionamento della tecnica nota e consenta di superare i succitati problemi e svantaggi, in particolare riducendo i rischi di rottura dovuti a shock, ecc. ed al contempo non influenzando in modo significativo il corretto funzionamento del dispositivo.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un dispositivo microelettromeccanico ed un relativo procedimento di fabbricazione, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 19.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali :
- la figura la mostra una vista in pianta schematica di un dispositivo microelettromeccanico e di una relativa struttura di arresto, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura lb mostra una sezione schematica del dispositivo di figura 1, presa lungo la linea di sezione I-l di figura la;
- le figure 2a-6a mostrano rispettive viste in pianta schematiche analoghe a quella di figura 1, in differenti forme di realizzazione del dispositivo microelettromeccanico ;
- le figure 2b-6b mostrano sezioni schematiche dei dispositivi delle figure 2a-6a, prese lungo le linee di sezione II-II - VI-VI delle figure 2a-6a;
- la figura 7 mostra una vista in pianta schematica di un dispositivo microelettromeccanico secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione; e
- la figura 8 mostra uno schema a blocchi di massima di un apparecchio elettronico incorporante il dispositivo microelettromeccanico secondo l'invenzione.
Come sarà chiarito in seguito, un aspetto della presente invenzione prevede di realizzare le strutture di arresto per la massa mobile sotto forma di uno o più ribassamenti di un relativo contenitore, ed inoltre di disporre i ribassamenti rispetto alla massa mobile in modo tale da rendere minimi gli effetti di una risultante interazione elettrostatica reciproca.
In dettaglio, e con riferimento dapprima alle figure la-lb, un dispositivo microelettromeccanico 1, realizzato secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione, comprende una massa mobile 2 sospesa al di sopra di un substrato 3 di materiale semiconduttore, in particolare silicio; la massa mobile 2 è realizzata di materiale conduttore, ad esempio polisilicio. La massa mobile 2 si estende principalmente in un piano xy, e presenta al suo interno una finestra 4 (che la attraversa per un suo intero spessore), ad esempio di forma genericamente rettangolare, avente un'estensione principale (lunghezza) lungo una prima direzione x del piano xy, ed un'estensione minore (larghezza) in una seconda direzione y del piano xy, ortogonale alla prima direzione x. La massa mobile 2 è collegata tramite elementi di sospensione 5, aventi caratteristiche di elasticità e torsione, ad un ancoraggio 6 solidale al substrato 3; l'ancoraggio 6 è a sua volta collegato al substrato 3 tramite una regione di adesione 7, interposta tra il substrato e l'ancoraggio stesso. Sia gli elementi di sospensione 5 che l'ancoraggio 6 sono disposti all'interno della finestra 4, e gli elementi di sospensione 5 presentano una forma allungata e si estendono da parti opposte dell'ancoraggio 6 verso la massa mobile 2, allineati lungo la prima direzione x, definendo un asse di inclinazione (o rotazione) 8 per la massa mobile. La massa mobile 2, gli elementi di sospensione 5 e l'ancoraggio 6 vengono realizzati con tecniche di per sé note a partire da uno stesso strato strutturale conduttivo, ad esempio di polisilicio.
La massa mobile 2 presenta una configurazione sbilanciata ed asimmetrica rispetto all'asse di inclinazione 8, in quanto il suo centro di massa non giace sull'asse di inclinazione stesso. Inoltre, la massa mobile 2 è divisa dalla finestra 4 in una porzione maggiore 2a, una porzione minore 2b, e porzioni di raccordo 2c che raccordano le porzioni minore e maggiore da parti opposte della finestra 4 lungo la prima direzione x; in particolare, la porzione maggiore 2a presenta una larghezza maggiore, ed è disposta da parte opposta degli elementi di sospensione 5, rispetto alla porzione minore 2b lungo la seconda direzione y. Al di sotto della porzione maggiore 2a e della porzione minore 2b sono presenti rispettivi elettrodi 9a, 9b (mostrati solamente nelle figure la-lb), ad esempio di polisilicio, disposti al di sopra del substrato 3; tali elettrodi 9a, 9b, polarizzati in modo opportuno, formano rispettivi condensatori di rilevamento con la sovrastante porzione della massa mobile.
In uso, dato lo sbilanciamento della massa mobile 2 rispetto all'asse dì inclinazione 8, una sollecitazione (ad esempio un'accelerazione) lungo l'asse z ne provoca la rotazione rispetto all'ancoraggio 6 ed al substrato 3; infatti, tale sollecitazione provoca un momento torcente risultante della massa mobile 2 intorno all'asse di inclinazione 8, dovuto al differente momento generato dalla porzione maggiore 2a e dalla porzione minore 2b (il momento corrispondendo in modo noto al prodotto tra la forza ed il braccio della forza rispetto all'asse di rotazione). Pertanto, una tra la porzione maggiore o minore 2a, 2b si avvicina al, mentre l'altra si allontana dal, rispettivo elettrodo 9a, 9b, così da originare uno sbilanciamento capacitivo dei condensatori di rilevamento; da tale sbilanciamento, un'opportuna elettronica di rilevamento (qui non illustrata), convenientemente integrata con processi noti all'interno del substrato 3, può risalire all'entità della sollecitazione agente lungo l'asse z.
II dispositivo microelettromeccanico 1 comprende inoltre un cappuccio (o contenitore) 10 (non mostrato nella figura la per chiarezza illustrativa), che riveste e sovrasta il substrato 3 e la massa mobile 2, e presenta una faccia interna IOa, generalmente separata da una superficie affacciata della massa mobile 2 da una prima distanza di separazione di. La prima distanza di separazione di ha un valore elevato, pari ad esempio a 160 μιη, tale da rendere sostanzialmente trascurabile un'interazione elettrostatica con la massa mobile stessa, nel caso in cui massa mobile 2 e cappuccio 10 presentino potenziali differenti. Il cappuccio 10, di materiale semiconduttore o altro materiale (ad esempio vetro), viene unito in modo noto al substrato 3, ad esempio tramite tecniche di bonding, in modo da incapsulare il dispositivo.
Il dispositivo microelettromeccanico 1 comprende inoltre una struttura di arresto provvista di almeno un primo elemento di arresto 12, atto a limitare un movimento indesiderato della massa mobile 2 e degli associati elementi di sospensione 5 lungo l'asse z, riducendo così il rischio di una loro rottura, ad esempio in caso di shock. Il primo elemento di arresto 12 è realizzato come un ribassamento, o sporgenza, del cappuccio 10, e si estende a partire dalla faccia interna IOa verso la massa mobile 2. Ad esempio, il primo elemento di arresto 12 ed il cappuccio 10 sono realizzati a partire da un'unica fetta di materiale, il primo elemento di arresto 12 essendo definito mediante un attacco chimico, ad esempio di tipo wet TMAH. Il primo elemento di arresto 12 presenta un notevole spessore, ad esempio pari a 150 pm, così da essere separato dalla massa mobile 2 da una seconda distanza di separazione d2di valore ridotto, pari ad esempio a 10 pm. Il primo elemento di arresto 12 esercita pertanto un'interazione elettrostatica rilevante nei confronti della massa mobile 2, nel caso in cui sia mantenuto ad un potenziale differente rispetto alla massa mobile.
Secondo un aspetto della presente invenzione, la struttura di arresto è tuttavia disposta rispetto alla massa mobile 2, in modo tale da rendere minimo un momento torcente della massa mobile stessa intorno all'asse di inclinazione 8, dovuto alla suddetta interazione .
In dettaglio, nella prima forma di realizzazione descritta, il primo elemento di arresto 12 è disposto in prossimità dell'asse di inclinazione 8, in particolare è disposto in corrispondenza di ed è centrato rispetto ad esso. Il primo elemento di arresto 12 presenta inoltre una forma allungata, ricopre interamente la finestra 4 (di cui presenta un'estensione maggiore lungo la seconda direzione y), e si estende lungo la prima direzione x, parallelamente all'asse di inclinazione 8, per tutta la massa mobile 2 ed oltre, superando pertanto le porzioni di raccordo 2c. Un'eventuale forza di interazione elettrostatica tra massa mobile ed elemento di arresto presenta un braccio ridotto rispetto all'asse di inclinazione 8, ed in ogni caso genera momenti torcenti sostanzialmente uguali ed opposti su porzioni della massa mobile disposte da parti opposte rispetto all'asse di inclinazione 8, così che un momento torcente risultante agente sulla massa mobile 2 risulta nullo (nell'ipotesi in cui si trascurino gli effetti del contenitore 10, data la distanza con la massa mobile).
Come mostrato nelle figure 2a-2b, in una seconda forma di realizzazione dell'invenzione, la struttura di arresto comprende un primo ed un secondo elemento di arresto 12, 14, di forma e dimensioni sostanzialmente uguali, estendentisi lungo la seconda direzione y per tutta la larghezza della massa mobile 2, da parti opposte della finestra 4, e sovrapposti a lati della massa mobile 2 opposti lungo la prima direzione x. In particolare, il primo ed il secondo elemento di arresto 12, 14, nuovamente realizzati come ribassamenti del cappuccio 10 (in modo del tutto analogo a quanto precedentemente descritto), presentano una ridotta area di sovrapposizione con la sottostante massa mobile 2, in corrispondenza dei rispettivi lati opposti, e si estendono in larghezza principalmente all'esterno della massa mobile stessa. In questa forma di realizzazione, l'interazione elettrostatica tra la massa mobile 2 ed il cappuccio 10 (ed il primo e secondo elemento di arresto 12, 14), dovuta ad una loro differenza di potenziale, è minima, data la ridotta area di sovrapposizione. Tuttavia si crea un lieve momento torcente risultante sulla massa mobile 2: infatti, la porzione maggiore 2a della massa mobile 2, a causa della maggiore dimensione di sovrapposizione con gli elementi di arresto lungo la seconda direzione y rispetto alla porzione minore 2b (essendo invece uguale una rispettiva dimensione di sovrapposizione lungo la prima direzione x), genera un momento torcente maggiore intorno all'asse di inclinazione 8 rispetto alla stessa porzione minore 2b.
Per ovviare a tale problema, e per ottenere un momento torcente risultante sostanzialmente nullo della massa mobile 2, una terza forma di realizzazione dell'invenzione, figure 3a-3b, prevede che il primo ed il secondo elemento di arresto 12, 14, disposti in maniera analoga a quanto descritto precedentemente, abbiano una conformazione tale da equilibrare i momenti torcenti generati sulle porzioni maggiore e minore 2a, 2b della massa mobile 2. in particolare, gli elementi di arresto 12, 14 sono in tal caso conformati in modo da presentare un'area di sovrapposizione maggiore con la porzione minore 2b rispetto a quella con la porzione maggiore 2a (bilanciando in tal modo l'effetto del maggiore braccio della forza di interazione con tale porzione maggiore 2a). In dettaglio, il primo ed il secondo elemento di arresto 12, 14 presentano una prima larghezza Li (lungo la prima direzione x) nella zona di sovrapposizione con la suddetta porzione minore 2b, ed una seconda larghezza L2, minore della prima larghezza Li, nella zona di sovrapposizione con la suddetta porzione maggiore 2a. La prima e la seconda larghezza Li, L2vengono dimensionate in modo da equilibrare i momenti torcenti rispetto all'asse di inclinazione 8 delle porzioni maggiore e minore 2a, 2b della massa mobile 2, così da generare un momento torcente risultante nullo sulla massa mobile stessa (nuovamente trascurando il contributo di interazione elettrostatica del contenitore 10).
In una quarta forma di realizzazione dell'invenzione, mostrata nelle figure 4a-4b, il primo ed il secondo elemento dì arresto 12, 14 sono nuovamente disposti da parti opposte della finestra 4 lungo la prima direzione x, ed in particolare in corrispondenza di, e centrati rispetto all'asse di inclinazione 8. Gli elementi di arresto 12, 14 risultano quindi sovrapposti alle sole porzioni di raccordo 2c della massa mobile 2, e si estendono in lunghezza principalmente al di fuori della massa mobile stessa. Come descritto per la prima forma di realizzazione, la disposizione degli elementi di arresto in corrispondenza dell'asse di inclinazione 8 consente di annullare il momento torcente risultante sulla massa mobile 2.
Inoltre, la configurazione degli elementi di arresto descritta nelle figure 4a, 4b può risultare vantaggiosa rispetto a quella descritta nelle figure la, lb (che prevede un unico elemento di arresto continuo disposto su tutta la lunghezza della massa mobile in corrispondenza dell'asse di inclinazione 8), per il fatto di essere più insensibile a possibili disallineamenti che si verifichino in fase di fabbricazione tra il substrato 3 ed il cappuccio 10 (ad esempio durante la fase di bonding). In particolare, disallineamenti che si verifichino lungo la seconda direzione y possono provocare un momento torcente indesiderato della massa mobile 2; il loro effetto negativo viene ridotto riducendo l'area di sovrapposizione (e dunque di interazione elettrostatica) tra la massa mobile e gli elementi di arresto (come appunto mostrato nelle figure 4a, 4b).
Facendo ora riferimento alle figure 5a-5b, una quinta forma di realizzazione dell'invenzione prevede che il primo ed il secondo elemento di arresto 12, 14 siano disposti da parti opposte della finestra 4 e dell'asse di inclinazione 8, equidistanti dall'asse di inclinazione stesso, ed abbiano forma e dimensioni (in questo caso molto ridotte rispetto alle dimensioni della massa mobile 2) sostanzialmente uguali. Inoltre, nell'esempio raffigurato, gli elementi di arresto sono allineati lungo la seconda direzione y in posizione centrale rispetto alla massa mobile 2 (in particolare, allineati all'ancoraggio 6), e sono disposti in prossimità della finestra 4. Anche in questa forma di realizzazione, il momento torcente risultante sulla massa mobile 2 risulta sostanzialmente nullo, bilanciandosi esattamente i momenti della porzione maggiore e minore 2a, 2b (gli elementi di arresto hanno infatti la stessa area di sovrapposizione con la massa mobile e si trovano alla stessa distanza dall'asse di inclinazione).
In una sesta forma di realizzazione dell'invenzione, figure 6a-6b, il primo ed il secondo elemento di arresto 12, 14 sono nuovamente disposti da parti opposte della finestra 4, e si estendono inoltre lungo la prima direzione x per tutta la lunghezza della massa mobile 2, sovrapposti a lati della massa mobile 2 opposti rispetto all'asse di inclinazione 8. Per equilibrare i momenti torcenti della porzione maggiore e minore 2a, 2b della massa mobile 2, ed in particolare il differente braccio di una relativa forza di interazione, il primo elemento di interazione 12, situato al di sopra della porzione minore 2b, presenta un'area di sovrapposizione con la sottostante porzione minore maggiore rispetto all'area di sovrapposizione del secondo elemento di arresto 14 con la sottostante porzione maggiore 2a. In particolare, il primo elemento di arresto 12 presenta una dimensione di sovrapposizione (lungo la seconda direzione y) maggiore di una corrispondente dimensione di sovrapposizione del secondo elemento di arresto 14 (essendo invece uguali rispettive dimensioni di sovrapposizione nella prima direzione x).
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, si faccia riferimento alla figura 7, il dispositivo microelettromeccanico 1 comprende: una prima ed una seconda massa mobile 2, 2', uguali tra loro ed allineate lungo la seconda direzione y, la seconda massa mobile 2' essendo capovolta rispetto alla prima massa mobile 2 (relative porzioni minori 2b, 2b' essendo pertanto poste a distanza ravvicinata ed affacciate nella seconda direzione y); ed una prima ed una seconda struttura di arresto 12, 12', uguali tra loro, associate rispettivamente alla prima e alla seconda massa mobile. Le masse mobili e le relative strutture di arresto sono realizzate in maniera del tutto equivalente a quanto descritto per la prima forma di realizzazione (figure la-lb), ed in particolare le masse mobili sono sospese al di sopra di, ed ancorate a, uno stesso substrato 3. Pertanto, ciascuna struttura di arresto è disposta rispetto alla relativa massa mobile in modo tale da minimizzare il momento torcente di tale massa mobile dovuto alla reciproca interazione elettrostatica.
Inoltre, gli elettrodi 9a, 9a' affacciati alle rispettive porzioni maggiori 2a, 2a' della prima e seconda massa mobile 2, 2 ' sono collegati elettricamente tra loro da connessioni 16a, così come sono collegati elettricamente tra loro da rispettive connessioni 16b gli elettrodi 9b, 9b' affacciati alle rispettive porzioni minori 2b, 2b' delle stesse masse mobili (come mostrato schematicamente in figura 7); inoltre, la prima e la seconda massa mobile 2, 2' sono collegate elettricamente tra loro. In tal modo, i condensatori di rilevamento formati dalle porzioni maggiori e minori delle masse mobili con i rispettivi elettrodi risultano collegati in parallelo, ed i relativi sbilanciamenti capacitivi si sommano.
La configurazione descritta risulta particolarmente vantaggiosa, in quanto presenta una raddoppiata sensibilità nel rilevamento delle sollecitazioni agenti lungo l'asse z (in quanto si sommano in modo evidente i contributi capacitivi dei condensatori di rilevamento formati dalle due masse mobili), ed inoltre risulta praticamente insensibile a disallineamenti tra cappuccio 10 e substrato 3, in particolare lungo la seconda direzione y. Infatti, un disallineamento di tale genere provoca ad esempio una maggiore sovrapposizione del primo elemento di arresto 12 associato alla prima massa mobile 2 con la porzione minore 2b della stessa mobile, ed un relativo momento torcente intorno all'asse di inclinazione 8 che provoca uno sbilanciamento dei relativi condensatori di rilevamento; al contempo tuttavia, tale disallineamento provoca una maggiore sovrapposizione del primo elemento di arresto 12<1>associato alla seconda massa mobile 2 ' questa volta con la porzione maggiore 2a' della stessa massa mobile, ed un relativo momento torcente intorno all'asse di inclinazione 8, che provoca uno sbilanciamento opposto dei relativi condensatori di rilevamento. In sostanza, la rotazione delle masse mobili dovuta al disallineamento genera sbilanciamenti capacitivi uguali e contrari dei condensatori di rilevamento, così che la grandezza elettrica risultante (data dalla somma di tali sbilanciamenti capacitivi) fornita ad una relativa elettronica di interfaccia non subisce una variazione apprezzabile; ne consegue che il funzionamento del dispositivo non risulta compromesso da tale disallineamento.
In modo di per sé noto, tale configurazione permette inoltre di reiettare effetti di accelerazioni angolari agenti sul dispositivo microelettromeccanico 1 intorno all'asse di inclinazione 8, che altrimenti potrebbero produrre falsi rilevamenti di sollecitazioni lungo l'asse z.
I vantaggi del dispositivo microelettromeccanico e della relativa struttura di arresto secondo l'invenzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente .
In ogni modo, si sottolinea il fatto che la soluzione proposta permette di arrestare efficacemente il movimento della massa mobile 2 e degli associati elementi di sospensione 5 fuori dal piano xy, proteggendo il dispositivo da eventuali rotture, ed allo stesso tempo riduce al minimo o addirittura annulla gli effetti delle interazioni elettrostatiche con gli elementi di arresto a tal scopo previsti, non influenzando il comportamento elettrico del dispositivo. È così possibile ottenere un dispositivo microelettromeccanico ad asse z perfettamente raziometrico ed insensibile a problemi di carica elettrostatica del contenitore. La struttura di arresto proposta risulta inoltre robusta meccanicamente, così da evitare il rischio di sue rotture durante gli urti con la massa mobile.
La forma di realizzazione descritta in figura 7 risulta particolarmente vantaggiosa per eliminare gli effetti causati da un disallineamento tra cappuccio e substrato che si verifichi in fase di fabbricazione, in particolare in tutti i casi in cui gli elementi di arresto 12, 14 presentino, a causa di tale disallineamento, una mutata area di sovrapposizione con la massa mobile 2 e si verifichi per questo un momento torcente risultante sulla massa mobile stessa. In particolare, tale configurazione può essere vantaggiosamente applicata, con ovvie modifiche, alla quarta, quinta e sesta forma di realizzazione della presente invenzione.
Il dispositivo descritto risulta particolarmente vantaggioso per l'utilizzo in un apparecchio elettronico 20 (figura 8), di tipo portatile, ad esempio un telefono cellulare, un PDA, un computer palmare o portatile, un riproduttore audio digitale, un telecomando, una videoo fotocamera, ecc. comprendente: un dispositivo microelettromeccanico 1 (del tipo descritto precedentemente); un circuito di polarizzazione 22, atto a fornire grandezze elettriche di polarizzazione al dispositivo microelettromeccanico 1 (in modo di per sé noto e per questo non descritto in dettaglio); un circuito di interfaccia 24, atto ad interfacciarsi con il dispositivo microelettromeccanico 1 per la lettura di una o più grandezze elettriche ad esso associate (in modo di per sé noto e per questo non descritto in dettaglio); ed un'unità di controllo a microprocessore 25, collegata al circuito di interfaccia 24, ed atta a sovrintendere al funzionamento generale dell'apparecchio elettronico 20.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate .
In particolare, in modo evidente possono essere previste diverse forme e disposizioni degli elementi di arresto, purché riducano il momento torcente risultante della massa mobile 2 dovuto all'interazione elettrostatica reciproca. La massa mobile 2 può avere una conformazione differente: ad esempio, gli elementi di sospensione 5 potrebbero estendersi verso rispettivi ancoraggi all'esterno della massa mobile 2, in tal caso priva della finestra 4 che la attraversa centralmente, e comprendente una sola porzione di raccordo 2c, disposta centralmente tra le porzioni maggiore e minore 2a, 2b. Il dispositivo microelettromeccanico può inoltre comprendere un numero maggiore di masse mobili, ciascuna dotata di una relativa struttura di arresto.
Gli elementi di arresto 12, 14 possono avere pareti sostanzialmente diritte, invece che inclinate (come mostrato nelle figure precedenti), nel caso in cui vengano realizzati con un attacco dry. Inoltre, gli stessi elementi di arresto potrebbero essere realizzati come elementi distinti dal cappuccio 10, ed essere ad esso accoppiati in qualunque modo noto.
Infine, è evidente che la presente invenzione può essere applicata vantaggiosamente in tutti i dispositivi microelettromeccanici ad asse z (dotati di una massa mobile con movimento "tiltante" e sbilanciata), ed in particolare in dispositivi sensori quali accelerometri, microfoni e giroscopi.
Claims (21)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo microelettromeccanico (1) comprendente: - una massa mobile (2) sospesa al di sopra di un substrato (3) tramite elementi di sospensione elastici (5), e libera di ruotare intorno a detti elementi di sospensione elastici (5); - una struttura di copertura (10), disposta al di sopra di detta massa mobile (2) ed avente una superficie interna (IOa) affacciata a detta massa mobile; ed - una struttura di arresto (12, 14) disposta in corrispondenza di detta superficie interna (IOa) di detta struttura di copertura (10) ed estendentesi verso detta massa mobile (2), ed atta ad arrestare un movimento di allontanamento di detta massa mobile (10) da detto substrato (3) lungo un asse (z) trasversale a detto substrato, caratterizzato dal fatto che detta struttura di arresto (12, 14) è disposta rispetto a detta massa mobile (2) in modo tale da ridurre un effetto di una reciproca interazione .
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura di arresto (12, 14) è disposta in modo tale da ridurre un momento torcente risultante di detta massa mobile (2) intorno a detti elementi di sospensione elastici (5), dovuto a detta interazione; detta interazione essendo di tipo elettrostatico, ed essendo dovuta ad un differente potenziale elettrico di detta massa mobile e di detta struttura di arresto.
- 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detta struttura di arresto (12, 14) è disposta in modo tale da minimizzare, in particolare rendere sostanzialmente nullo, detto momento torcente risultante .
- 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detti elementi di sospensione elastici (5) sono allineati e definiscono un asse di rotazione (8) di detta massa mobile (2), e detta struttura di arresto (12, 14) è disposta in prossimità di detto asse di rotazione (8).
- 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detta struttura di arresto (12, 14) è disposta in corrispondenza di, ed è centrata rispetto a, detto asse di rotazione (8).
- 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detta struttura di arresto comprende un primo elemento di arresto (12) estendentesi per un'intera lunghezza di detta massa mobile (2) parallelamente a detto asse di rotazione (8).
- 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detta massa mobile (2) presenta internamente una finestra (4) in cui sono disposti detti elementi di sospensione elastici (5), e detta struttura di arresto comprende un primo (12) ed un secondo (14) elemento di arresto, disposti da parti opposte di detta finestra (4), e sovrapposti a lati di detta massa mobile opposti, lungo detto asse di rotazione (8).
- 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta massa mobile (2) è sbilanciata rispetto ad un asse di rotazione (8) definito da detti elementi di sospensione elastici (5), e comprende una porzione maggiore (2a) ed una porzione minore (2b), avente dimensioni minori rispetto a detta porzione maggiore (2a), disposte da parti opposte di detto asse di rotazione (8); l'interazione con detta struttura di arresto (12, 14) essendo atta a generare un primo momento torcente di detta porzione maggiore (2a), ed un secondo momento torcente di detta porzione minore (2b), opposti rispetto a detto asse di rotazione (8), e detta struttura di arresto (12, 14) essendo configurata in modo tale da equilibrare detti primo e secondo momento torcente .
- 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detta struttura di arresto (12, 14) comprende una prima porzione sovrapposta a detta porzione maggiore (2a), ed una seconda porzione sovrapposta a detta porzione minore (2b) di detta massa mobile (2), disposte da parti opposte rispetto a detto asse di rotazione (8); dette prima e seconda porzione di detta struttura di arresto (12, 14) essendo disposte alla stessa distanza da detto asse di rotazione (8) ed avendo aree di sovrapposizione uguali con detta massa mobile (2), oppure essendo disposte a distanza differente da detto asse di rotazione (8) ed avendo aree di sovrapposizione differenti con detta massa mobile (2), dette aree di sovrapposizione differenti essendo funzione di una rispettiva distanza da detto asse di rotazione (8).
- 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detta struttura di arresto comprende un primo (12) ed un secondo (14) elemento di arresto, uguali e disposti da parti opposte di, ed ad una stessa distanza da, detto asse di rotazione (8).
- 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detta struttura di arresto comprende un primo (12) ed un secondo (14) elemento di arresto, sovrapposti a lati di detta massa mobile (2) opposti rispetto a detto asse di rotazione (8), per un'intera estensione di detti lati; detto primo elemento di arresto (12) essendo sovrapposto a detta porzione minore (2b) di detta massa mobile (2) ed avendo una dimensione di sovrapposizione in direzione trasversale a detto asse di rotazione (8) maggiore rispetto ad una corrispondente distanza di sovrapposizione di detto secondo elemento di arresto (14) con detta porzione maggiore (2a).
- 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detta struttura di arresto comprende un primo (12) ed un secondo (14) elemento di arresto, estendentisi trasversalmente a detto asse di rotazione (8) e sovrapposti a lati opposti di detta massa mobile (2), per un'intera estensione di detti lati.
- 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, in cui detti primo e secondo elemento di arresto (12, 14) presentano una prima larghezza (Li) in corrispondenza di detta porzione minore (2b), ed una seconda larghezza (L2) in corrispondenza di detta porzione maggiore (2a) di detta massa mobile (2), detta prima larghezza (Li) essendo maggiore di detta seconda larghezza (L2).
- 14. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta massa mobile (2) si estende principalmente in un piano (xy), ed è disposta in modo da ruotare al di fuori di detto piano intorno a detti elementi di sospensione elastici (5); detta struttura di arresto (12, 14) essendo atta a limitare un movimento di detta massa mobile in direzione trasversale a detto piano (xy).
- 15. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di arresto (12, 14) e detta struttura di copertura (10) sono formate in una stessa fetta di materiale, e detta struttura di arresto costituisce un ribassamento di detta struttura di copertura verso detta massa mobile.
- 16. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un'ulteriore massa mobile (2<1>) sospesa al di sopra di detto substrato (3), ed una relativa ulteriore struttura di arresto (12'), dette strutture di arresto (12, 12') essendo disposte in maniera corrispondente relativamente alle rispettive masse mobili (2, 2') ed in modo tale da ridurre un effetto di una reciproca interazione, e detta ulteriore massa mobile (2') essendo capovolta rispetto a detta massa mobile (2) lungo una direzione (y) trasversale ad una direzione di estensione di detti elementi di sospensione elastici (5, 5'); in cui primi elettrodi (9a, 9a'), affacciati a porzioni corrispondenti rispettivamente di dette massa mobile (2) ed ulteriore massa mobile (2'), sono collegati elettricamente tra di loro.
- 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, in cui dette masse mobili (2, 2') sono sbilanciate rispetto ai rispettivi elementi di sospensione elastici (5, 5'), e comprendono una rispettiva porzione maggiore (2a, 2a') ed una rispettiva porzione minore (2b, 2b'), avente dimensioni minori rispetto a detta rispettiva porzione maggiore, disposte da parti opposte dei rispettivi elementi di sospensione elastici (5, 5'); detti primi elettrodi (9a, 9a') essendo affacciati ad una rispettiva porzione maggiore (2a, 2a') di dette masse mobili, ed inoltre secondi elettrodi (9b, 9b') essendo affacciati ad una rispettiva porzione minore (2b, 2b') di dette masse mobili, ed essendo collegati elettricamente tra di loro .
- 18. Apparecchio elettronico (20), caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo microelettromeccanico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in particolare detto dispositivo microelettromeccanico (1) essendo uno tra: un accelerometro, un giroscopio, un microfono.
- 19. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico (1), comprendente le fasi di: - formare una massa mobile (2), sospesa al di sopra di un substrato (3) tramite elementi di sospensione elastici (5), e libera di ruotare intorno a detti elementi di sospensione elastici (5); - accoppiare al di sopra di detta massa mobile (2) una struttura di copertura (10) avente una superficie interna (10a) affacciata a detta massa mobile (2); e - formare una struttura di arresto (12, 14) in corrispondenza di detta superficie interna (IOa) di detta struttura di copertura (10) ed estendentesi verso detta massa mobile (2), per arrestare un movimento di allontanamento di detta massa mobile (10) da detto substrato (3), lungo un asse (z) trasversale a detto substrato, caratterizzato dal fatto che formare una struttura di arresto (12, 14) comprende disporre detta struttura di arresto rispetto a detta massa mobile (2) in modo tale da ridurre un effetto di una reciproca interazione.
- 20. Procedimento secondo la rivendicazione 19, in cui disporre comprende ridurre ira momento torcente risultante di detta massa mobile (2) intorno a detti elementi di sospensione elastici (5), dovuto a detta interazione; detta interazione essendo di tipo elettrostatico, ed essendo dovuta ad un differente potenziale elettrico di detta massa mobile (2) e di detta struttura di arresto (12, 14).
- 21. Procedimento secondo la rivendicazione 20, in cui disporre comprende minimizzare, in particolare rendere sostanzialmente nullo, detto momento torcente risultante,
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