ITTO20080846A1 - Dispositivo sensore per la misurazione di un campo magnetico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“Dispositivo sensore per la misurazione di un campo magnetico”,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo sensore per la misurazione del campo magnetico, del tipo che comprende almeno un’unità di misura di campo magnetico comprendente almeno un elemento sensibile di tipo MEMS.

La misurazione dell'intensità di un campo magnetico può essere effettuata per mezzo di numerose tipologie di sensore, ciascuna di tali tipologie presentando rispettivi limiti di applicabilità ed efficienza, a seconda delle specifiche d’impiego, dipendenti dalla necessità di rilevare un campo statico, un campo variabile lentamente o un campo alternato ad alta frequenza, e dipendenti dal modulo del campo magnetico da rilevare, ossia se il modulo del campo sia elevato (ad esempio > 10^5 A/m) o ridotto.

Sono stati sviluppati in particolare in tempi recenti dispositivi sensori per la misurazione del campo magnetico di tipo miniaturizzato, basati sui cosiddetti MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), ossia sistemi microelettromeccanici.

Un esempio di dispositivo sensore MEMS di questo tipo è descritto nel brevetto statunitense US 6,809,515. Un esempio di dispositivo sensore MEMS che impiega una trave a sbalzo (cantilever) è descritto nel brevetto statunitense US 6,237,399.

I sensori MEMS presentano un’elevata sensibilità, in quanto usualmente definiscono un volume sensibile, all'interno del quale si generano gli effetti che trasducono il campo magnetico in un segnale elettrico leggibile dall'elettronica convenzionale, che è minore rispetto ai sensori tradizionali.

Tali sensori MEMS, anche in virtù di tale elevata sensibilità, tuttavia, quando si trovano nella necessità di rilevare campi magnetici di intensità particolarmente ridotta, risentono dell'influenza del campo magnetico ambientale, che in alcuni casi può arrivare a coprire del tutto il segnale che si desidera rilevare. Una condizione simile si verifica ad esempio qualora vi sia una sorgente del campo da misurare debole, anche se prossima al sensore, mentre la sorgente del campo intenso sia determinata dal campo geomagnetico.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo sensore per la misurazione del campo magnetico che sia in grado di misurare campi magnetici di intensità particolarmente ridotta senza risentire dell'influenza di campi magnetici ambientali.

In vista di raggiungere tale scopo, l’invenzione ha per oggetto un dispositivo sensore che comprende almeno un’unità di misura di campo magnetico comprendente almeno un elemento sensibile di tipo MEMS, in cui detto dispositivo adotta una configurazione a gradiometro per misurare un campo locale, eliminando l’effetto di un campo ambientale, che comprende almeno due unità di misura simili, poste l'una dall'altra ad una distanza tale da generare rispettivi segnali di misura sostanzialmente identici quando dette unità di misura sono soggette a detto campo ambientale,

Secondo una caratteristica preferita dell’invenzione, tali unità di misura comprendono almeno una microtrave, associata a uno o più sensori magnetici ricavati sopra di essa, tale trave essendo adatta a porre in oscillazione tali uno o più sensori magnetici, il dispositivo comprendendo inoltre un rilevatore di movimento della trave, in particolare un piezoresistore integrato in tale trave, per rilevarne le caratteristiche del moto, il dispositivo sensore essendo inoltre vincolato ad un attuatore, in particolare un disco piezolettrico.

Secondo un’ulteriore caratteristica preferita, il dispositivo sensore comprende almeno un concentratore statico di flusso di campo disposto in modo tale rispetto alla trave che l’oscillazione della trave porti l’area attiva ad attraversare una zona a massimo flusso di campo al di sopra ed al di sotto della proiezione del concentratore al fine di massimizzare la risposta del dispositivo sensore.

Grazie alle caratteristiche sopra indicate, il dispositivo sensore secondo l’invenzione permette di estendere il campo di applicazione dei sensori miniaturizzati basati sui cosiddetti MEMS (Micro-electromechanical systems) a campi magnetici di intensità particolarmente ridotta, eliminando l'influenza del campo magnetico ambientale.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 rappresenta una vista in pianta complessiva del dispositivo sensore secondo l’invenzione;

- la figura 2 rappresenta una sezione laterale di un dettaglio del dispositivo secondo l’invenzione;

- la figura 3 rappresenta una vista in pianta in un primo stadio di fabbricazione del dettaglio di figura 2;

- la figura 4 rappresenta una vista in pianta in un secondo stadio di fabbricazione del dettaglio di figura 2;

- le figure 5a-5n rappresentano i passi di un processo di fabbricazione del dispositivo sensore secondo l’invenzione.

In breve, il dispositivo sensore proposto prevede di impiegare per la rilevazione del campo magnetico dei sensori MEMS disposti in una configurazione a gradiometro.

Tale configurazione a gradiometro comprende almeno due subunità identiche poste ad una distanza l'una dall'altra tale da permettere di misurare un campo locale, sottraendo l’effetto del campo ambientale, ad esempio il campo magnetico terrestre, da riguardasi quale rumore della misura. Il dispositivo sensore proposto tratta dunque tale campo ambientale come generato da una sorgente lontana e approssimabile a costante all'interno del volume di spazio occupato da tale dispositivo sensore.

Le due sub-unità del dispositivo sensore sono disposte pertanto a una distanza sufficientemente ridotta da generare segnali di misura sostanzialmente eguali in risposta al campo ambientale.

Il dispositivo sensore comprende poi, ad esempio, uno stadio di amplificazione elettronico differenziale, eventualmente integrato nel dispositivo, in grado di eliminare tale segnale di misura di campo ambientale, mentre qualora il dispositivo sensore venga posto vicino ad una sorgente di campo magnetico da misurare locale, che non determina quindi un campo magnetico costante all'interno del volume di spazio occupato da tale dispositivo sensore, ma bensì un gradiente di campo magnetico, tale gradiente determina che la risposta delle due sub-unità, poste ad una distanza diversa dalla sorgente, sia asimmetrica.

In questo modo è possibile misurare un campo magnetico di intensità relativamente bassa generato da una sorgente locale, in compresenza di un campo magnetico anche di elevata intensità, generato da una sorgente ambientale lontana.

Tale configurazione dunque risolve il problema della misura di un campo debole in compresenza di un campo intenso, laddove la sorgente del primo sia locale (prossima al sensore) e la sorgente del secondo sia sufficientemente lontana (ad esempio campo geomagnetico).

Le unità di misura di tipo MEMS secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, comprendono una microtrave, ottenuta tramite microlavorazione. Tale microtrave reca elementi sensibili al campo magnetico. L’unità di misura comprende quindi un attuatore per porre in oscillazione la microtrave e gli elementi sensibili ad essa associati, intorno alla posizione di massima densità delle linee di flusso del campo, in quanto in questo modo si sottopongono di fatto tali elementi sensibili ad un campo magnetico esterno alternato, ottenendo l'effetto positivo di ridurre al minimo gli effetti del rumore cosiddetto 1/f, dove f indica la frequenza del campo magnetico, che affligge le misure statiche od a bassa frequenza.

Per incrementare il rapporto segnale/rumore SNR (Signal to Noise Ratio), secondo un ulteriore aspetto inventivo del dispositivo proposto è previsto di adottare concentratori di flusso magnetico, realizzati con film sottile di materiale ad elevatissima permeabilità magnetica, in grado di convogliare un'elevata densità di linee di flusso presso l'area occupata dagli elementi sensibili.

In maggiore dettaglio, le unità di misura possono disporre di elementi sensibili multistrato a film sottile che manifestino il fenomeno della magnetoresistenza gigante GMR (Giant Magnetoresistance) oppure giunzioni ad effetto tunnel magnetico MTJ (Magnetic Tunneling Junction). Tali elementi sensibili presentano una conduttanza fortemente influenzata dal campo magnetico esterno e vengono fatti operare usualmente in condizioni di linearità.

Viene ora descritta con riferimento alle figure da 1 a 5, una forma di attuazione di esempio del dispositivo secondo l’invenzione, utilizzante la tecnologia del silicio.

In figura 1 è mostrata una vista in pianta complessiva del dispositivo sensore 2. Tale dispositivo sensore 2 comprende due unità di misura 2a e 2b eguali e poste adiacenti a una certa distanza su un substrato SOI (Silicon On Insulator) 102. Ciascuna unità di misura 2a o 2b comprende essenzialmente due microtravi 4, disposte parallele. Come sarà meglio apprezzabile nelle seguenti figure 2-4, sulla microtrave 4 sono disposti elementi sensibili 200. Ogni coppia di microtravi 4 è posta perpendicolare a un asse 14a di un concentratore di flusso 14, che convoglia quindi il campo magnetico su tali microtravi 4 lungo detto asse 14a. L’allineamento verticale, ossia in direzione perpendicolare al piano di figura 1, delle giunzioni attive degli elementi sensibili 200 rispetto al materiale che costituisce il concentratore di flusso di campo 14 deve essere anche curato in modo che l’oscillazione della trave 4, che è vincolata ai suoi due punti estremi, porti l’area attiva rappresentata dai multistrati degli elementi 200 ad attraversare la zona a massimo gradiente di campo, transitando al di sopra ed al di sotto della proiezione del concentratore, ossia al di sopra e al di sotto del prolungamento ideale del cono del concentratore nella zona delle travi 4 (come già detto a massimo gradiente). Ciò aiuta a massimizzare la risposta del dispositivo sensore 2.

Piste di connessione 18 consentono di eseguire una misura tensione-corrente del dispositivo sensore 2. In figura 1 sono anche visibili elettrodi 16 di un piezoresistore 6 associato alla trave 4. Tale piezoresistore 6 non è mostrato in figura 1, ma è visibile ad esempio in figura 2, ed ha la funzione di misurare il moto della trave 4. Piazzole 20 sulle piste di connessione 18 consentono di collegare il dispositivo sensore 2 con un’unità di controllo anch’esso non visibile in figura 1.

In figura 2 è mostrata in sezione una microtrave 4. La microtrave 4 reca sulla sua superficie superiore elementi sensibili 200, per la rivelazione del campo magnetico. Tali elementi sensibili 200 comprendono preferibilmente multistrato, in particolare multistrato GMR o una giunzione MTJ. In figura 2 gli elementi sensibili 200 comprendono giunzioni MTJ, nelle quali il multistrato prevede che tra due film sottili ferromagnetici 200a (a titolo di esempio non limitativo, cobalto, ferro-silicio-boro, cobalto-ferro) sia interposta una sottile barriera tunnel 200b di ossido diamagnetico (a titolo di esempio non limitativo, magnesia, allumina), in grado di mostrare un effetto analogo al precedente, dipendente dalla direzione del campo magnetico rispetto al sensore, ma potenzialmente molto più intenso. In letteratura sono state illustrate giunzioni tipo MTJ con effetto magnetoresistivo superiore al 400% a temperatura ambiente: ciò significa che la conduttanza del dispositivo nello stato “acceso” è il quadruplo rispetto alla conduttanza dello stesso nella configurazione “spento”. Gli elementi sensibili 200 MTJ sono ottenuti tramite deposizioni successive dei due film sottili ferromagnetici 200a e della barriera tunnel 200b di ossido diamagnetico, per esempio mediante RF magnetron sputtering, e la loro riduzione in termini geometrici, ad esempio mediante tecnica del lift-off, avvalendosi di strati passivanti, ad esempio di uno strato di ossido di silicio 203, come mostrato in figura 4, depositato mediante PECVD (Plasma Enhanced Physical Vapour Deposition), che si rendono necessari per confinare il percorso degli elettroni ed evitare che seguano percorsi parassiti cortocircuitando le giunzioni.

Come accennato in precedenza, la trave di silicio 4 che ospita gli elementi sensibili MTJ 200 del dispositivo è associata anche a un sensore piezoresistivo 6, preferibilmente disposto in una configurazione a ponte di Wheatstone, che rileva la deformazione della trave 4 e permette in questo modo di valutarne i movimenti.

Tale sensore piezoresistivo 6 è ottenuto attraverso una zona ad elevato contenuto di drogante 122 (avendo il silicio fortemente drogato una struttura policristallina e manifestando esso proprietà piezoelettriche).

Gli elementi sensibili 200 sono connessi a mezzo di elettrodi inferiori 201 e elettrodi superiori 202. La connessione degli elementi sensibili 200 con tali elettrodi 201 e 202 di rame e litografati è realizzata in modo da rendere possibile il flusso di elettroni ortogonalmente rispetto al piano della giunzione dell’elemento sensibile 200 e tra una giunzione e la successiva, mentre le piste di connessione 18 disposte in un sistema a quattro piste, come visibile in figura 1, consentono di eseguire una misura tensione-corrente del sensore 2. In figura 3 è riportata una vista in pianta della disposizione degli elettrodi inferiori 201, mentre nella vista in pianta di figura 4 sono visibili anche gli elettrodi superiori 202 ed è evidenziato lo strato passivante 203. La corrente iniettata a mezzo delle piste di connessione 18 connesse alla rete di elettrodi inferiori 201 nel dispositivo sensore 2, ossia negli elementi sensibili 200 che cambiano la loro resistenza a seconda del campo magnetico, viene fissata ad un valore ottimale, mentre la resistenza offerta al passaggio di tale corrente viene misurata monitorando la caduta di tensione ai suoi capi. La struttura del dispositivo sensore 2 descritta determina una curva di trasferimento conduttanza/campo magnetico esterno di tipo sigmoide, con una zona di linearità che definisce i limiti di applicabilità del sensore (campo massimo e minimo). Tramite un’operazione di post-elaborazione della misura è possibile estendere la funzionalità del dispositivo sensore 2 al di fuori della zona di linearità.

La microtrave 4, come meglio dettagliato nelle figure 5a-5n, relative al processo di fabbricazione del dispositivo sensore 2, ad esempio specificamente in figura 5a, è ottenuta a partire dal substrato SOI (Silicon On Insulator) 102, che comprende uno strato massivo (handle layer) 104 di silicio, uno strato di ossido sepolto (buried oxide) 106 e un sovrastante strato sottile di dispositivo 108 di silicio(device silicon).

Il dispositivo sensore 2 è vincolato sulla sua superficie inferiore 110, indicato in figura 5f, dello strato massivo 104 ad un disco piezoelettrico 112, a titolo di esempio non limitativo, PZT, piombo-zirconio titanato, che opera da attuatore del dispositivo 2. Tale disco piezoelettrico 112 è visibile in figura 5n.

Per ottenere strutture di microtravi sospese quale la microtrave 4, si possono utilizzare congiuntamente due diversi processi di fabbricazione: processi di fabbricazione di tipo bulk e processi di surface micromachining, ossia di microlavorazione della superficie. Con la fabbricazione di tipo bulk viene ricavata, attraverso un passo di attacco chimico in idrossido di potassio KOH o soluzioni simili quali, ad esempio, TMAH (idrossido di tetrametilammonio) o EDP (etilene- diammina pirocatecolo), una membrana 116 (figura 5d) formata dallo strato di silicio di dispositivo 108 ed dallo strato di ossido sepolto 106, operante da strato di etch stop, ossia di arresto dell’attacco acido. Con il processo di surface micromachining si definisce e realizza la microtrave 4 sulla membrana 116. Tali processi permettono di ottenere delle micro-travi sospese su tutto lo spessore del wafer.

La porzione attiva del dispositivo sensore 2 comprende, come accennato, un multistrato a base metallica. Il caso dell’elemento sensibile MTJ è già stato precedentemente descritto con riferimento a figura 2. Nel caso di elemento sensibile di tipo GMR tale multistrato comprende, in modo di per sé noto, numerosi film sottili di materiale ferromagnetico (a titolo di esempio non limitativo, cobalto, ferro) alternati a strati di materiale diamagnetico (a titolo di esempio non limitativo, rame, oro); tramite una scelta appropriata degli spessori di tali film sottili, si instaura un fenomeno quantistico: gli elettroni che attraversano il multistrato in senso ortogonale alle superfici subiscono eventi di scattering con probabilità dipendente dall'orientazione relativa della magnetizzazione nei ferromagneti, ovvero in ultima analisi dalla direzione del campo magnetico cui è soggetta la struttura.

Nel dispositivo sensore secondo l’invenzione, l’area attiva dell’elemento sensibile viene realizzata attraverso successive litografie in modo da moltiplicare il numero delle giunzioni MTJ 200 (o multistrati GMR) e da connetterle in serie, amplificando quindi l’effetto magnetoresistivo.

Come detto, la trave di silicio 4 che ospita l’elemento sensibile MTJ 200, ossia il sensore magnetico, del dispositivo è associata anche un sensore piezoresistivo 6 che rileva la deformazione della trave 4. E’ quindi possibile dedurre con elevata risoluzione, attraverso la variazione di resistenza misurata su elettrodi 16 del piezoresistore 6, il moto della trave 4, causato dall’attuatore piezoelettrico 112 sottostante il dispositivo 2.

Dunque il funzionamento del dispositivo sensore 2 avviene come segue. L’attuazione meccanica del sensore 2 ha come scopo quello di portare la matrice di elementi sensibili 200 ad oscillare in corrispondenza della posizione dove si ha la massima densità di flusso convogliata dal concentratore 14, muovendosi armonicamente al di sopra ed al di sotto di essa. In questo modo il campo magnetico statico che si vuole misurare viene alternato, alla frequenza di oscillazione della trave 4, generando una risposta corrispondente e godendo del beneficio di un incremento del rapporto segnale/rumore. La tecnica di riduzione del rumore di tipo “1/f” mediante ricorso a misure in campo alternato è nota di per sé dalla letteratura scientifica. La scelta della frequenza di oscillazione della trave è effettuata tenendo conto dell'ottimizzazione della risposta del piezo attuatore e della minimizzazione della densità spettrale del rumore, che, secondo dati disponibili in letteratura, presenta un minimo centrato intorno ai 500 kHz.

La frequenza di oscillazione viene monitorata, attraverso il piezoresistore 6, per consentire al sistema di operare in condizioni ottimali, proprio in corrispondenza del valore che massimizza il rapporto segnale/rumore. secondo un ulteriore aspetto del dispositivo sensore per la misurazione di un campo magnetico secondo l’invenzione, l’operazione di monitorare la frequenza di oscillazione consente di effettuare una misura in modalità “transitorio”: anziché misurare il campo magnetico con la trave 4 in oscillazione stabile, si porta il sistema a risuonare e poi si disattiva il piezoattuatore 112 per evitare che i campi elettromagnetici generati dalla sua corrente di pilotaggio perturbino la misura. Monitorando come decade la frequenza di risonanza una volta lasciata la trave 4 libera di smorzare la forzante originariamente determinata dall’attuatore 112 si può discriminare l’effetto generato dall’interazione del campo magnetico esterno con il materiale magnetico di cui è costituita l’area attiva del multistrato dell’elemento sensibile. Questa modalità presenta ridottissimi consumi energetici, anche se appare meno risoluta.

Il dispositivo sensore 2 è in grado di effettuare una valutazione vettoriale del campo magnetico esterno in un piano coincidente con quello del substrato sul quale è ricavato. Gli elementi sensibili 200 ricavati sulla mezzeria della trave 4 oscillante possono essere facilmente modellati mediante tecnologie microelettroniche (litografia ottica, litografia a fascio elettronico, litografia a forza atomica) in modo da presentare un'anisotropia di forma lungo un certo asse. Ciò vantaggiosamente permette che il campo magnetico venga misurato con estrema sensibilità per piccoli angoli di scostamento da tale asse di anisotropia (intorno dello 0° e dei 180°), mentre la sensibilità si riduce quando l'angolo si avvicina all'asse ad esso ortogonale (90° o 270°). Affiancando due travi 4, come mostrato in figura 2, e connettendole con il concentratore di flusso 14, lo stesso campo magnetico viene sondato da due elementi sensibili realizzati in modo da avere asse di anisotropia mutuamente ortogonale, quindi in grado di fornire simultaneamente una valutazione della componente x e di quella y.

L’elemento piezoresistivo 6 e l’attuatore piezoelettrico 112 possono essere realizzati in diversi materiali con differenti tecnologie.

A titolo di esempio, il sensore piezoresistivo 6 è ricavato attraverso impiantazione ionica o diffusione di un elemento drogante nella trave di silicio 4. Tale soluzione tecnologica consente di ottenere grande sensibilità e minimo ingombro. Il dispositivo sensore 2 così realizzato risulta quindi vantaggioso rispetto all’utilizzo di estensimetri o elementi di sensing esterni come vibrometri, leve ottiche basate su laser, etc. Le piste di connessione 18 e le piazzole 20 consentono di collegare il sensore 2 con un unità di controllo. La rilevazione della frequenza di risonanza può anche avvenire mediante una spira che rileva la forza elettromotrice indotta secondo la legge di Faraday.

L’attuatore piezoelettrico 112 può essere realizzato con tecniche e materiali a film sottile (PZT, ZnO, AlN, ecc.) realizzata attraverso la tecnica sol-gel o possibili alternative quali sputtering o laser assisted deposition sulla superficie inferiore del dispositivo, ossia dello strato massivo 104, oppure prevedere come nella soluzione qui esemplificata il montaggio di un dispositivo discreto quale attuatore piezoelettrico 112. Per ottenere un intimo contatto tra l’attuatore piezoelettrico 112 ed il dispositivo sensore 2 si possono realizzare diverse soluzioni di vincolo (film biadesivo, colle, bonding eutettico, brasatura, montaggi meccanici ad incastro, etc). Le piste di connessione 18 e le piazzole 20 in metallo o lega metallica vengono ottenute attraverso successive deposizioni metalliche, litografie e attacchi chimici selettivi dei diversi materiali depositati.

Il dispositivo sensore secondo l’invenzione può essere realizzato con microlavorazioni eseguite su materiali quali silicio, arseniuro di gallio, nitruro di silicio, carburo di silicio, vetro, polimeri e tutti i materiali comunemente impiegati nelle tecnologie dei MEMS.

A titolo di esempio viene qui descritto, con riferimento ai diagrammi di Figura 5a-5n, un flusso di processo per fabbricare il dispositivo secondo l’invenzione.

In figura 5a è mostrato il substrato di wafer SOI 102, che viene opportunamente pulito attraverso attacco chimico in soluzione cosiddetta piranha (una miscela di acido solforico e perossido d’idrogeno). Lo strato SOI 102 comprende come detto lo strato di substrato 104 di wafer di silicio, lo strato di ossido sepolto 106 e lo strato sottile di silicio di dispositivo 108. Il substrato SOI 102 è ricoperto da uno strato di ossido termico 118 sul retro del substrato.

In figura 5b è mostrato un passo di applicazione di uno strato di photoresist 120 sullo strato di ossido termico 118 sul retro del substrato SOI 102. Attraverso procedimenti di litografia ottica di per sé noti viene definita una che delimita la superficie della scavo dell’attacco bulk micromachining.

In figura 5c è mostrato un passo di attacco selettivo dell’ossido dello strato 118 nella zona della finestra 120a non coperta dal photoresist 120. Tramite una soluzione BOE (Buffered Oxide Etch) si asporta l’ossido termico. Con questo passo si definisce la maschera dura, in ossido di silicio termico, che permette successivamente di trasferire e mantenere le geometrie realizzate con la litografia durante il successivo attacco.

In figura 5d è mostrato un passo di attacco anisotropo in soluzione KOH, che permette di asportare il silicio dello strato di substrato 104 non protetto dall’ossido 118 secondo dei piani inclinati rispetto alla superficie del wafer, in particolare inclinati di 54.7°. In figura 5d sono visibili dei corrispondenti scavi 114 prodotti dall’attacco anisotropo. Tale attacco anisotropo è limitato dallo strato di ossido sepolto 106, detto appunto anche etch stop, raggiunto il quale si esaurisce l’attacco e si ottiene una membrana 116. Sulla superficie superiore dello strato 108 viene deposto uno strato di photoresist 117.

In figura 5e è quindi mostra un passo di definizione di geometrie planari. Per mezzo della litografia si definiscono sullo strato di photoresist 117 le geometrie planari che servono da maschera selettiva per un successivo attacco fisico-chimico (RIE, reactive ion etching).

Gli effetti completi di tale attacco RIE sono mostrati in figura 5f, dove anche lo strato di ossido sepolto 106 è rimosso. Esso consente di asportare localmente il materiale e definire così le travi 4. Successivamente, come mostrato in figura 5g, viene rimosso anche il photoresist 117 residuo.

Attraverso un successivo passo di impiantazione ionica o diffusione si definisce all’interno della membrana 116 in silicio una zona ad elevato contenuto di drogante 122, visibile in figura 5h.

Le successive figure 5i-5m rappresentano un ingrandimento della regione della trave 4. In figura 5i sono mostrati gli effetti di successivi passi di deposizione di metallo e di litografia che permettono di definire i contatti di elettrodo inferiore 201, attraverso deposizione, litografia e attacco selettivo del materiale conduttivo.

Sulla trave 4 quindi, in modo allineato rispetto al preesistente elettrodo inferiore 201 attraverso successive deposizioni, litografie ed attacchi chimici si definisce la matrice di sensori di campo magnetico MTJ 200, come mostrato in figura 5j.

Le giunzioni MTJ 200 vengono isolate perimetralmente per mezzo di del film passivante 203, come mostrato in figura 5k, al fine di evitare il cortocircuito del dispositivo 2.

L’elettrodo superiore 202 viene quindi depositato, e litografato in modo allineato con le sottostanti strutture di giunzioni MTJ 200, come mostrato in figura 5l. Gli elettrodi 201 e 202 consentono agli elettroni di attraversare le giunzioni MTJ 200 ortogonalmente rispetto al piano del dispositivo 2 e di spostarsi da una giunzione alla successiva.

Quindi, come mostrato in figura 5m, attraverso passi di deposizione, litografia e lift-off viene definito il concentratore 14 delle linee di campo. Sia i contatti 16 per le connessioni per la gestione dei segnali per gli elettrodi del piezoresistore 6 sia dei contatti 20 per gli elettrodi 201, 202 del sensore di campo magnetico 2 vengono realizzati attraverso deposizione di materiale conduttivo.

Il dispositivo 2 viene infine vincolato all’attuatore piezoelettrico 112 attraverso un film di colla 136, come mostrato in figura 5n.

Il dispositivo completo, inteso come in grado di valutare simultaneamente le tre componenti cartesiane di un campo magnetico generato da una sorgente posta nelle sue vicinanze, prevede la giustapposizione di tre dispositivi sensori 2 come quello mostrato in Figura 1, su piani mutuamente ortogonali, all'interno di una cella il cui volume può essere stimato inferiore ai 10 cm<3>. Ciascun chip sensore è attuato separatamente. E’ possibile implementare inoltre un sistema di correzione e compensazione automatico, dal momento che si avrebbe una misura ridondante di 2x3=6 valori.

Dunque, sono chiari i vantaggi del dispositivo sensore appena descritto.

Il dispositivo sensore secondo l’invenzione vantaggiosamente non è sensibile al campo magnetico ambientale. La configurazione a gradiometro, che prevede la giustapposizione di due unità di misura a distanza ravvicinata e la loro connessione ad un amplificatore differenziale elimina del tutto gli effetti di un campo anche di elevata intensità generato da una sorgente lontana. Inoltre tale dispositivo sensore effettua una misura diretta del gradiente di campo magnetico, il dispositivo essendo confinato in un volume estremamente ridotto, in quanto dispositivo di tipo MEMS, ed è quindi adatto alla realizzazione di sensori portatili di peso ed ingombro minimi. L'energia spesa per l'attuazione e la misura risultano estremamente ridotte e il tempo richiesto dalla misura è di pochi secondi.

Vantaggiosamente, rispetto a dispositivi di tipo SQUID, le condizioni di operabilità del dispositivo sensore coincidono con quelle ambientali e non si richiede raffreddamento in liquidi criogenici.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la sensibilità del dispositivo sensore è fortemente incrementata dall’uso dell’attuazione a frequenze di un centinaio di kHz e dai concentratori di flusso, incrementando il rapporto SNR rispetto ad altri sensori attuati meccanicamente e raggiungendo la minimizzazione del rumore cosiddetto 1/f.

Secondo un'ulteriore aspetto innovativo della presente invenzione, è possibile misurare il campo magnetico in modalità “transitoria”, riducendo al minimo i consumi energetici del dispositivo durante la misura a seguito della disattivazione dell'attuatore ed eliminando inoltre le interferenze causate dal segnale di pilotaggio dell'attuatore medesimo.

Secondo un ulteriore aspetto innovativo, il dispositivo sensore secondo l’invenzione presenta un’inversione della consueta disposizione degli elementi, prevedendo di attuare l’elemento sensibile, anziché il concentratore di flusso, il che evita l'insorgere di errori sistematici di misura originati dalla magnetostrizione all'interno del concentratore sottoposto a stress meccanico, trasmesso dalla trave oscillante; l’effetto spurio generato della magnetostrizione che si ha nel concentratore di flusso sollecitato meccanicamente richiede il ricorso a simulazioni complesse, eventualmente basate sul metodo degli elementi finiti. Nel dispositivo proposto, la magnetostrizione generata all'interno dell'elemento sensibile può essere esclusa da una misura eseguita a campo magnetico esterno nullo, tarando il sensore all'interno di una camera schermata.

Il dispositivo sensore proposto vantaggiosamente può essere assemblato in matrici tridimensionali per una valutazione simultanea di più o tutte le componenti vettoriali del campo magnetico.

Il dispositivo di misura può essere realizzato con le tecnologie della microelettronica. I costi di produzione risultano quindi inferiori a quelli derivanti dalla produzione attraverso le tecnologie meccaniche. Il dispositivo può essere replicato in “matrici”. Le tecnologie della microelettronica consentono di realizzare, a basso costo, matrici di dispositivi MEMS per analisi in parallelo e locale del campo magnetico.

Il ridotto ingombro volumico del dispositivo sensore proposto lo rende utilizzabile nelle applicazioni in cui vi sia carenza di spazio e suggerisce nuovi campi applicativi finora inesplorati. Il ridotto ingombro e peso ne facilitano l’utilizzo in applicazioni in cui è fondamentale la minimizzazione del payload o del consumo di energia, come ad esempio la sensoristica per veicoli, satelliti artificiali, sistemi portatili, ecc.

Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Possibili campi di applicazione del dispositivo sensore per la misurazione di un campo magnetico proposto sono: misura indiretta delle correnti elettriche (che inducono un campo magnetico) mediante rilevatori portatili; monitoraggio dell’inquinamento magnetico (campo statico). Altresì sono possibili applicazioni nel campo della sicurezza, un sensore gradiometrico potendo essere facilmente integrato in un metal detector in quanto in grado di rivelare la variazione di flusso magnetico causata dal passaggio di un oggetto metallico, anche di dimensioni micrometriche; applicazioni aeronautiche ed aerospaziali, dove sia no richiesti un ridotto ingombro, peso e consumo.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo sensore per la misurazione del campo magnetico, del tipo che comprende almeno un’unità per la misura (2a, 2b) del campo magnetico di tipo MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) comprendente almeno un elemento sensibile al campo magnetico (200), in particolare per misurare un campo magnetico locale in compresenza di un campo magnetico ambientale caratterizzato dal fatto che detto dispositivo (2) adotta una configurazione a gradiometro che comprende almeno due di dette unità di misura di tipo MEMS (2a, 2b).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, in detta configurazione a gradiometro, dette almeno due di dette unità di misura di tipo MEMS (2a, 2b) sono disposte ad una distanza l'una dall'altra tale da generare rispettivi segnali di misura sostanzialmente identici quando dette unità di misura (2a, 2b) sono soggette al campo ambientale.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che dette unità di tipo MEMS per la misura del campo magnetico (2a, 2b) comprendono almeno una microtrave (4) associata a uno o più elementi sensibili al campo magnetico (200), detta microtrave (4) essendo suscettibile di oscillare, in particolare intorno alla posizione di massima densità delle linee di flusso del campo magnetico da misurare.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta unità di tipo MEMS per la misura del campo magnetico (2a, 2b) comprende un rilevatore di movimento della trave (6), in particolare un piezoresistore integrato in tale trave (4), per rilevarne le caratteristiche del moto, detta unità di tipo MEMS per la misura del campo magnetico (2a, 2b) essendo inoltre associata ad un attuatore (112), in particolare un disco piezolettrico, per porre in oscillazione detta microtrave (4).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che comprende un concentratore di flusso di campo (14) disposto rispetto a detta microtrave (4) in modo tale che l’oscillazione di detta microtrave (4) porti detti elementi sensibili al campo magnetico (200) ad attraversare una zona a massimo gradiente di campo, in particolare al di sopra ed al di sotto di una proiezione del concentratore (14), al fine di massimizzare la risposta del dispositivo sensore (2).
6. 6. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti elementi sensibili al campo magnetico (200) comprendono un multistrato a base metallica, in particolare un multistrato a magnetoresistenza gigante (GMR) oppure giunzioni ad effetto tunnel magnetico (MTJ).
7. 7. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende uno stadio di amplificazione elettronico differenziale in grado di eliminare detto segnale di misura di campo ambientale.
8. 8. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unità per la misura del campo magnetico (2a, 2b) comprende almeno una coppia di microtravi (4), disposte parallele fra loro, ogni coppia di microtravi (4) essendo posta perpendicolare rispetto a un asse (14a) del concentratore di flusso (14).
9. 9. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che è assemblato in una matrice tridimensionale per una valutazione simultanea di più componenti vettoriali del campo magnetico, detta matrice tridimensionale comprendendo più dispositivi sensori (2) disposti su piani mutuamente ortogonali.
10. 10. Procedimento per la misurazione del campo magnetico, del tipo che comprende di impiegare almeno un’unità per la misura (2a, 2b) del campo magnetico di tipo MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) comprendente almeno un elemento sensibile al campo magnetico (200), in particolare per misurare un campo magnetico locale, in compresenza di un campo magnetico ambientale caratterizzato dal fatto che comprende di disporre dette almeno due di dette unità di misura di tipo MEMS (2a, 2b) in una configurazione a gradiometro e ad una distanza tale da generare rispettivi segnali di misura sostanzialmente identici quando dette unità di misura (2a, 2b) sono soggette al campo ambientale.
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre di concentrare (14) il campo magnetico in un flusso magnetico, in particolare in modo che sia più intenso in corrispondenza di dette unità di misura di tipo MEMS (2a, 2b), attuare meccanicamente uno o più di detti elementi sensibili al campo magnetico (200) per oscillare armonicamente intorno a una posizione di massima densità di flusso magnetico, al fine di rendere alternato il campo magnetico statico da misurare.
12. 12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che comprende di monitorare (6) una frequenza di oscillazione degli elementi sensibili al campo magnetico (200).
13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che comprende di attuare detti elementi sensibili al campo magnetico (200) a una frequenza di risonanza tale da portare in risonanza detta unità per la misura del campo magnetico (2a, 2b) misurare il decadimento di detta frequenza di risonanza al fine di valutare l’effetto generato dall’interazione del campo magnetico da misurare con il materiale magnetico dell’elemento sensibile, in particolare per operare una misura in modalità transitoria. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.