ITTO20090597A1

ITTO20090597A1 - Struttura di rilevamento microelettromeccanica ad asse z con ridotte derive termiche

Info

Publication number: ITTO20090597A1
Application number: IT000597A
Authority: IT
Inventors: Gabriele Cazzaniga; Luca Coronato; Barbara Simoni
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-01
Also published as: EP2284488B1; EP2284488A1; US8434364B2; US8820161B2; US20110023604A1; US20130239686A1; CN101987718A; CN101987718B

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“STRUTTURA DI RILEVAMENTO MICROELETTROMECCANICA AD ASSE Z CON RIDOTTE DERIVE TERMICHE”

La presente invenzione è relativa ad una struttura di rilevamento microelettromeccanica (di tipo MEMS, dall’inglese Micro-Electro-Mechanical System) ad asse z, che presenta ridotte derive termiche; in particolare, la trattazione seguente farà esplicito riferimento, senza per questo perdere in generalità, ad un accelerometro microelettromeccanico ad asse z.

Sono noti accelerometri inerziali ad asse z di tipo MEMS, che includono cioè strutture microelettromeccaniche sensibili ad accelerazioni agenti lungo una direzione ortogonale ad un loro piano di estensione principale ed alla superficie superiore di un relativo substrato (oltre eventualmente ad essere in grado di rilevare ulteriori accelerazioni agenti nello stesso piano).

Le figure 1a, 1b mostrano una struttura MEMS di tipo noto, indicata nel suo insieme con il numero di riferimento 1, appartenente ad un accelerometro inerziale ad asse z (che comprende inoltre un’interfaccia elettronica di lettura, non illustrata, accoppiata elettricamente alla stessa struttura MEMS).

La struttura MEMS 1 comprende un substrato 2 (ad esempio di materiale semiconduttore, in particolare silicio) avente una superficie superiore 2a, ed una massa di rilevamento 3, costituita di materiale conduttivo, ad esempio polisilicio, e disposta al di sopra del substrato 2, sospesa ad una certa distanza dalla sua superficie superiore 2a. La massa di rilevamento 3 presenta un’estensione principale in un piano del sensore xy, definito da un primo e da un secondo asse x, y ortogonali tra loro, e sostanzialmente parallelo alla superficie superiore 2a del substrato 2 (in condizione di riposo, in assenza cioè di accelerazioni o stress esterni agenti sulla struttura MEMS 1), e dimensione sostanzialmente trascurabile lungo un asse ortogonale z, perpendicolare al suddetto piano del sensore xy (ed alla suddetta superficie superiore 2a del substrato 2) e formante con il primo ed il secondo asse x, y una terna di assi cartesiani xyz.

La massa di rilevamento 3 presenta un’apertura passante 4, che la attraversa per un suo intero spessore, ha in pianta una forma sostanzialmente rettangolare estendentesi in lunghezza lungo il primo asse x, ed è disposta ad una certa distanza dal baricentro (o centro di gravità) della stessa massa di rilevamento 3; l’apertura passante 4 suddivide pertanto la massa di rilevamento 3 in una prima porzione 3a ed in una seconda porzione 3b, disposte da parti opposte rispetto alla apertura passante stessa lungo il secondo asse y, la prima porzione 3a presentando una dimensione maggiore lungo lo stesso secondo asse y rispetto alla seconda porzione 3b.

La struttura MEMS 1 comprende inoltre un primo ed un secondo elettrodo fisso 5a, 5b, costituiti da materiale conduttore, disposti sulla superficie superiore 2a del substrato 2, da parti opposte rispetto all’apertura passante 4 lungo il secondo asse y, così da essere posizionati rispettivamente al di sotto della prima e della seconda porzione 3a, 3b della massa di rilevamento 3; il primo ed il secondo elettrodo fisso 5a, 5b presentano, in un piano parallelo al piano del sensore xy, una forma sostanzialmente rettangolare, allungata lungo la prima direzione x. Il primo ed il secondo elettrodo fisso 5a, 5b definiscono quindi insieme alla massa di rilevamento 3 un primo ed un secondo condensatore di rilevamento a facce piane e parallele, indicati schematicamente con C1, C2, aventi un dato valore di capacità a riposo.

La massa di rilevamento 3 è ancorata al substrato 2 mediante un elemento di ancoraggio centrale 6, costituito da un elemento a pilastro estendentesi all’interno dell’apertura passante 4 a partire dalla superficie superiore 2a del substrato 2, centralmente rispetto alla stessa apertura passante 4; l’elemento di ancoraggio centrale 6 risulta pertanto disposto equidistante dagli elettrodi fissi 5a, 5b lungo il secondo asse y, in corrispondenza del centro di gravità (o centro di massa), indicato con O, dell’insieme formato dagli stessi elettrodi fissi 5a, 5b; il centro di gravità O viene inoltre utilizzato come origine del sistema di riferimento cartesiano xyz e corrisponde all’unico punto di vincolo della massa di rilevamento 3 al substrato 2.

In particolare, la massa di rilevamento 3 è collegata meccanicamente all’elemento di ancoraggio centrale 6 mediante un primo ed un secondo elemento elastico di ancoraggio 8a, 8b, estendentisi all’interno dell’apertura passante 4, allineati con estensione sostanzialmente rettilinea lungo un asse di rotazione A parallelo al primo asse x, da parte opposta rispetto all’elemento di ancoraggio centrale 6 ed il centro di gravità O. Gli elementi elastici di collegamento 8a, 8b sono configurati in modo da essere cedevoli alla torsione intorno alla loro direzione di estensione, consentendo così la rotazione della massa di rilevamento 3 al di fuori del piano del sensore xy, intorno all’asse di rotazione A definito dagli stessi elementi elastici di collegamento 8a, 8b; si noti in particolare come l’asse di rotazione A passi per il centro di gravità O e costituisca inoltre un asse di simmetria per l’elemento di ancoraggio centrale 6 e l’insieme degli elettrodi fissi 5a, 5b.

In uso, in presenza di un’accelerazione agente lungo la direzione ortogonale z, la massa di rilevamento 3 ruota, per effetto inerziale, intorno all’asse di rotazione A, in modo da subire un avvicinamento ad uno dei due elettrodi fissi 5a, 5b (ad esempio al primo elettrodo fisso 5a) ed un corrispondente allontanamento dall’altro dei due elettrodi fissi 5a, 5b (ad esempio dal secondo elettrodo fisso 5b), generando variazioni capacitive opposte dei condensatori di rilevamento C1, C2. Un’opportuna elettronica di interfaccia (non mostrata nelle figure 1a, 1b) dell’accelerometro, accoppiata elettricamente alla struttura MEMS 1, riceve in ingresso le variazioni capacitive dei condensatori di rilevamento C1, C2, e le elabora in maniera differenziale in modo da determinare il valore dell’accelerazione agente lungo l’asse ortogonale z.

La presente richiedente ha constatato che la struttura MEMS 1 precedentemente descritta, pur consentendo vantaggiosamente di rilevare accelerazioni agenti lungo l’asse ortogonale z, può essere soggetta ad errori di misura qualora il substrato 2 subisca deformazioni, ad esempio al variare della temperatura. In modo noto, il contenitore (package) di un sensore microelettromeccanico è infatti soggetto a deformazioni al variare della temperatura, dovute ai diversi coefficienti di dilatazione termica dei materiali di cui è composto, causando corrispondenti deformazioni del substrato della struttura MEMS contenuta al suo interno; analoghe deformazioni si possono verificare inoltre a causa di particolari stress indotti dall’esterno, ad esempio in occasione della saldatura dello stesso package su un circuito stampato. A causa delle deformazioni del substrato 2, gli elettrodi fissi 5a, 5b, ad esso direttamente vincolati (tali elettrodi sono in generale deposti sopra la superficie superiore 2a dello stesso substrato 2), seguono le sue stesse deformazioni, mentre la massa di rilevamento 3 si sposta seguendo le eventuali deformazioni dell’elemento di ancoraggio centrale 6, rimanendo però perfettamente piana.

La presente richiedente ha constatato in particolare che le deformazioni del substrato 2 possono causare sia una variazione (drift) di offset che una variazione di sensibilità nel rilevamento delle accelerazioni dirette lungo l’asse ortogonale z.

In dettaglio, nell’ipotesi che il substrato 2, e la relativa superficie superiore 2a, subiscano una deformazione quadratica lungo l’asse ortogonale z rispetto al secondo asse y (centrata in corrispondenza del centro di gravità O, corrispondente al centro dell’elemento di ancoraggio centrale 6), come mostrato schematicamente nelle figure 2a e 2b, si verificano, a causa della deformazione, uguali variazioni delle distanze medie (o gap) gap1, gap2, che separano la massa di rilevamento 3 dal substrato 2 in corrispondenza del primo e del secondo elettrodo fisso 5a, 5b. In figura 2b gli elettrodi fissi 5a, 5b sono rappresentati idealmente come elementi puntiformi disposti in corrispondenza del loro punto medio lungo il secondo asse y, ad una distanza m dal centro di gravità O, così come è rappresento idealmente da un punto posizionato nel centro di gravità O l’elemento di ancoraggio centrale 6.

In tal caso, il sensore subisce una variazione di sensibilità dovuta alla variazione del valore di capacità a riposo dei condensatori di rilevamento C1, C2; si può verificare inoltre una variazione dell’offset nel caso in cui sia già presente una differenza iniziale dei due gap (e delle associate capacità a riposo), ad esempio a causa di una non perfetta planarità del substrato 2, o di una disposizione non perfettamente parallela della massa di rilevamento 3 rispetto allo stesso substrato 2.

Nell’ipotesi che il substrato 2 subisca invece una deformazione cubica lungo l’asse ortogonale z rispetto al secondo asse y (centrata nuovamente in corrispondenza del centro di gravità O), come mostrato nella figura 3 (analoga alla suddetta figura 2b), si verificano variazioni di segno opposto nelle distanze medie gap1, gap2che separano la massa di rilevamento 3 dal primo e dal secondo elettrodo fisso 5a, 5b (e nelle capacità dei relativi primo e secondo condensatore di rilevamento C1, C2). Tali variazioni causano una variazione del segnale elettrico di uscita dall’elettronica di interfaccia del sensore, e quindi una variazione dell’offset del sensore in funzione della variazione della temperatura.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di risolvere i problemi precedentemente evidenziati, ed in particolare di fornire una struttura microelettromeccanica sensibile lungo l’asse ortogonale z, che presenti ridotte derive in temperatura delle sue caratteristiche elettriche, in particolare di offset e sensibilità.

Secondo la presente invenzione viene pertanto fornita una struttura microelettromeccanica, come definita nella rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei

Elena CERBARO 8 (Iscrizione Albo nr.426/BM) quali:

- la figura 1a è una vista in pianta di una struttura MEMS di un sensore ad asse z, di tipo noto;

- la figura 1b è una vista in sezione della struttura MEMS di figura 1a, presa lungo la linea I-I di figura 1a;

- la figura 2a è una vista in sezione analoga a quella di figura 1b, in presenza di una deformazione quadratica del substrato della struttura MEMS;

- la figura 2b mostra schematicamente il risultato della deformazione quadratica del substrato della struttura MEMS di figura 1a;

- la figura 3 mostra schematicamente il risultato di una deformazione cubica del substrato della struttura MEMS di figura 1a;

- la figura 4 è una vista in pianta schematica di una struttura MEMS di un sensore ad asse z, secondo un aspetto della presente invenzione;

- le figure 5a, 5b mostrano schematicamente il risultato di una deformazione quadratica del substrato della struttura MEMS di figura 4;

- la figura 6 mostra schematicamente il risultato di una deformazione cubica del substrato della struttura MEMS di figura 4;

- la figura 7 è un diagramma di flusso relativo a fasi di un processo di progettazione della struttura MEMS di figura 4;

- le figure 8 e 9 mostrano diagrammi di grandezze geometriche relative al processo di progettazione di figura 7;

- la figura 10a è una vista in pianta di una forma di realizzazione della struttura MEMS di figura 4;

- la figura 10b è una vista in sezione della struttura MEMS di figura 10a, presa lungo la linea X-X di figura 10a; e

- la figura 11 è uno diagramma a blocchi di un dispositivo elettronico incorporante la struttura MEMS ed il relativo sensore, secondo un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.

Come sarà chiarito in dettaglio nel seguito, un aspetto della presente invenzione prevede di modificare opportunamente la configurazione di accoppiamento meccanico (di ancoraggio e supporto) della massa di rilevamento al substrato della struttura MEMS, in modo tale che la massa di rilevamento subisca spostamenti sostanzialmente corrispondenti a quelli subiti dagli elettrodi fissi, in seguito alle deformazioni del substrato al variare della temperatura, e che di conseguenza non si verifichino (o siano fortemente ridotte) le variazioni dei gap medi (e degli associati valori di capacità) presenti tra la stessa massa di rilevamento e gli stessi elettrodi fissi. In tal modo, risulta possibile eliminare (o ridurre fortemente) i drift termici del sensore e gli associati errori di misura, anche in presenza di deformazioni del substrato. In particolare, la massa di rilevamento viene accoppiata al substrato tramite punti di vincolo posti in corrispondenza degli elettrodi fissi, in modo tale da subire, nella posizione di tali punti di vincolo, spostamenti (lungo la direzione ortogonale z) sostanzialmente corrispondenti agli spostamenti degli stessi elettrodi fissi, in funzione delle deformazioni del substrato.

In maggiore dettaglio, e facendo riferimento dapprima alla rappresentazione schematica di figura 4 (in cui elementi simili ad altri già descritti vengono indicati con gli stessi numeri di riferimento e non vengono nuovamente descritti), una struttura MEMS, indicata con 10, di un sensore ad asse z (in particolare un accelerometro), differisce dalla struttura descritta con riferimento alle figure 1a e 1b sostanzialmente per una differente configurazione della struttura di accoppiamento meccanico della massa di rilevamento 3 al substrato 2, atta a realizzare l’ancoraggio della stessa massa di rilevamento 3 e la sua sospensione al di sopra del substrato 2.

In particolare, tale struttura di accoppiamento meccanico comprende in questo caso una massa di accoppiamento 12, disposta all’interno dell’apertura passante 4 in corrispondenza dell’asse di rotazione A, e collegata alla massa di rilevamento 3 tramite gli elementi elastici di collegamento 8a, 8b (aventi caratteristiche torsionali analoghe a quelle descritte in precedenza). La massa di accoppiamento 12 è configurata in modo da presentare una elevata rigidezza (in particolare, il valore di rigidezza deve essere tale da poter considerare planare tale massa di accoppiamento 12 anche in presenza delle massime deformazioni tollerabili del substrato 2), tanto da poter essere considerata piana (con estensione, a riposo, nel piano del sensore xy) ed indeformabile; la massa di accoppiamento 12 presenta ad esempio una forma in pianta sostanzialmente rettangolare, con estensione principale lungo il primo asse x. La massa di accoppiamento 12 è ad esempio formata tramite attacco chimico dello stesso strato di materiale (ad esempio polisilicio), durante la stessa fase di processo, con cui si realizza la massa di rilevamento 3.

La massa di accoppiamento 12 è inoltre vincolata al substrato 2 in una pluralità di punti di vincolo 13, posizionati in corrispondenza degli elettrodi fissi 5a, 5b, in particolare all’interno di un ingombro, o regione di inviluppo degli stessi elettrodi fissi rispetto al piano del sensore xy.

In generale, è previsto almeno un punto di vincolo 13 per ciascuna regione di inviluppo associata agli elettrodi fissi 5a, 5b. Nell’esempio illustrato in figura 4 sono ad esempio previsti quattro punti di vincolo 13, due dei quali disposti in corrispondenza del primo elettrodo fisso 5a (in particolare, come sarà descritto in dettaglio in seguito, in corrispondenza di rispettive porzioni di estremità rispetto al primo asse x), e gli altri due disposti in corrispondenza del secondo elettrodo fisso 5b (nuovamente, come sarà descritto in dettaglio in seguito, in corrispondenza di rispettive porzioni di estremità rispetto al primo asse x). La posizione di ciascun punto di vincolo 13 è definita da un valore a della coordinata lungo il primo asse x e da un valore b della coordinata lungo il secondo asse y; nella stessa figura 4, si indica inoltre con w la semilunghezza degli elettrodi fissi 5a, 5b, misurata lungo il primo asse x, e si indicano con x1e x2rispettivamente il valore minimo ed il valore massimo della coordinata lungo il secondo asse y della regione di inviluppo associata agli stessi elettrodi fissi 5a, 5b.

Ciascun punto di vincolo 13 è definito da un rispettivo elemento di ancoraggio 14 (mostrato schematicamente in figura 4), disposto a contatto e al di sopra del substrato 2, e da un rispettivo elemento elastico di supporto 15 (anch’esso mostrato schematicamente in figura 4), atto a collegare meccanicamente la massa di accoppiamento 12 al rispettivo elemento di ancoraggio 14. In particolare, ciascun elemento elastico di supporto 15 è configurato, insieme al rispettivo elemento di ancoraggio 14, in modo da definire un elemento di cerniera in corrispondenza del rispettivo punto di vincolo 13, che risulta cioè insensibile a rotazioni del substrato 2 intorno al punto di vincolo 13 mentre invece segue rigidamente le sue traslazioni in tutte le direzioni (ed in particolare lungo l’asse ortogonale z, traslazioni lungo gli assi x e y non avendo sostanzialmente alcun effetto sul comportamento del sensore).

Inoltre, gli elementi elastici di supporto 15 presentano una rigidezza molto più elevata rispetto agli elementi elastici di collegamento 8a, 8b, per cui si può considerare che la massa di accoppiamento 12 rimanga sostanzialmente immobile, rispetto alla massa di rilevamento 3, nei confronti delle accelerazioni esterne che devono essere rilevate lungo l’asse ortogonale z.

Ne consegue che la struttura MEMS 10 si comporta, per quanto riguarda le stesse accelerazioni esterne, in modo del tutto analogo a quanto descritto con riferimento alla struttura nota delle figure 1a, 1b, con la massa di rilevamento 3 che ruota intorno agli elementi elastici di collegamento 8a, 8b fuori dal piano del sensore xy avvicinandosi al substrato 2, al rilevamento di un’accelerazione agente lungo l’asse ortogonale z.

In occasione di uno spostamento del substrato 2 (e con esso degli elettrodi fissi 5a, 5b) lungo l’asse ortogonale z, dovuto ad esempio ad una sua deformazione al variare della temperatura, i punti di vincolo 13 si spostano lungo l’asse ortogonale z, sostanzialmente in maniera corrispondente agli elettrodi fissi 5a, 5b, ed analoghi spostamenti vengono trasmessi alla massa di accoppiamento 12 dagli elementi elastici di supporto 15 (in particolare, in corrispondenza delle estremità di attacco della massa di accoppiamento 12 agli stessi elementi elastici di supporto). In seguito a tali spostamenti, la massa di accoppiamento 12 si sposta disponendosi in un piano che interpola (ad esempio secondo il criterio dei minimi quadrati) le nuove posizioni assunte dai punti di vincolo 13. In particolare, gli errori tra il piano interpolato e le posizioni dei singoli punti di vincolo 13 sono compensati dalle deformazioni degli elementi elastici di supporto 15, i quali compensano inoltre eventuali dilatazioni del substrato 2. In particolare, gli elementi di cerniera precedentemente definiti seguono le eventuali deformazioni del substrato 2 nel piano del sensore xy, e tali movimenti vengono assorbiti dagli elementi elastici di supporto 15 senza che vengano trasmettessi alla massa di accoppiamento 12, in modo tale da evitare la rottura o l’eccessivo stress della stessa massa di accoppiamento 12. A parità di accelerazione esterna applicata sulla struttura MEMS 10, e data la rigidezza degli elementi elastici di supporto 15 rispetto alla stessa accelerazione esterna, la massa di rilevamento 3 segue dunque in maniera diretta lo spostamento della massa di accoppiamento 12, disponendosi nello spazio in maniera ad essa corrispondente, così da soddisfare l’equilibrio di forze (e momenti torcenti) agenti sulla struttura MEMS 10; in altre parole, la massa di rilevamento 3 risulta rigidamente connessa alla massa di accoppiamento 12 nel seguire le deformazioni del substrato 2 lungo l’asse ortogonale z. Pertanto, la massa di rilevamento 3 subisce anch’essa uno spostamento sostanzialmente corrispondente allo spostamento degli elettrodi fissi 5a, 5b, riducendo così di fatto la variazione (media) dei gap tra la stessa massa di rilevamento 3 e gli stessi elettrodi fissi 5a, 5b. In altre parole, la massa di rilevamento 3 risulta come direttamente vincolata al substrato 2 in corrispondenza dei punti di vincolo 13, subendo traslazioni lungo l’asse ortogonale z corrispondenti a quelle subite dagli elettrodi fissi 5a, 5b in corrispondenza degli stessi punti di vincolo 13.

Come mostrato schematicamente in figura 5a, nel caso in cui si verifichi una deformazione quadratica del substrato 2, le distanze gap1, gap2tra la massa di rilevamento 3 ed il substrato 2 non subisce in questo caso variazioni rispetto al caso a riposo, in corrispondenza della posizione dei punti di vincolo 13. Intuitivamente, è inoltre possibile determinare, come sarà descritto in dettaglio in seguito, il valore b della coordinata dei punti di vincolo 13 lungo il secondo asse y, tale per cui la deformazione quadratica non produca una variazione apprezzabile dei valori medi delle distanze tra la massa di rilevamento 13 e gli elettrodi fissi 5a, 5b (considerati nella loro intera estensione lungo il secondo asse y), con il risultato che non si verifichino cambiamenti apprezzabili nei valori di sensibilità ed offset in uscita dal sensore.

Analogamente, come mostrato in figura 5b, risulta intuitivamente possibile determinare un valore a opportuno per la coordinata lungo il primo asse x della posizione dei punti di vincolo 13, tale per cui il valor medio delle distanze gap1, gap2tra la massa di rilevamento 3 e gli elettrodi fissi 5a, 5b (lungo la loro intera lunghezza w) rimanga sostanzialmente costante al variare della temperatura, rispetto al caso a riposo.

Anche nel caso di una deformazione cubica, come mostrato in figura 6, non si verifica una variazione delle distanze gap1, gap2tra la massa di rilevamento 3 ed il substrato 2, in corrispondenza delle coordinate dei punti di vincolo 13 (il piano della massa di rilevamento 3 si inclina infatti seguendo lo spostamento in verso opposto dei punti di vincolo posizionati da parte opposta rispetto al centro di gravità O). In modo intuitivo, risulta nuovamente possibile determinare la posizione ottimale degli stessi punti di vincolo 13, tale da minimizzare la variazione dei valori medi delle distanze tra la massa di rilevamento 3 e gli elettrodi fissi 5a, 5b (considerati nella loro intera estensione lungo il secondo asse y), così che nuovamente l’uscita del sensore risulti insensibile alla temperatura, sia per i valori di sensibilità che per i valori di offset.

La disposizione dei punti di vincolo 13 in prossimità degli elettrodi fissi 5a, 5b risulta dunque di per sé vantaggiosa, in quanto fa sì che la massa di rilevamento 3 subisca spostamenti che sono approssimabili agli spostamenti medi degli elettrodi fissi 5a, 5b, riducendo così i drift termici dei valori elettrici in uscita dal sensore. In ogni caso, utilizzando una modellizzazione matematica della struttura MEMS 10, può vantaggiosamente essere determinata la posizione specifica ottimale dei punti di vincolo 13 (e dei relativi elementi di ancoraggio 14) tale da rendere effettivamente minima la variazione media delle distanze gap1, gap2tra la massa di rilevamento 3 e gli elettrodi fissi 5a, 5b (considerati nella loro intera estensione lungo il primo ed il secondo asse x, y). In altre parole, è possibile ricavare un procedimento iterativo per determinare, in sede di progetto e realizzazione della struttura MEMS, la posizione migliore dei punti di vincolo 13, che permetta di minimizzare i drift di sensibilità ed offset del sensore in presenza di deformazione del substrato 2. Vantaggiosamente, tale procedimento è applicabile in maniera generale a qualsiasi geometria e configurazione degli elettrodi fissi 5a, 5b della struttura MEMS 10.

In dettaglio, e come mostrato in figura 7, una fase iniziale di tale procedimento, indicata con 20, prevede di scegliere una posizione iniziale dei punti di vincolo 13, in termini dei valori delle coordinate a e b lungo il primo ed il secondo asse x, y.

Si determina quindi, fase 21, una deformazione zsubdel substrato 2 (spostamento lungo l’asse ortogonale z in funzione delle coordinate lungo il primo ed il secondo asse x,y) data da: zsub=c0+c1·x+c2·y+c3·x·y+c4·x<2>+c5·y<2>+c6·x<2>·y+c7·x·y<2>+c8·x<3>+c9·y<3>… ipotizzando di trascurare le componenti di ordine superiore al terzo (corrispondente ad una deformazione cubica). È infatti noto che in strutture aventi dimensioni ridotte (quali appunto le strutture MEMS) le deformazioni lineari, paraboliche e cubiche sono le deformazioni principali per descriverne il comportamento meccanico, mentre le deformazioni di ordine superiore possono in genere essere trascurate.

Si determinano quindi, fase 22, lo spostamento lungo l’asse ortogonale z e la disposizione risultante della massa di accoppiamento 12 (e dunque della massa di rilevamento 3 ad essa collegata rigidamente, tanto da poter essere considerata come un’unica massa sospesa); per una miglior precisione si possono effettuare simulazioni FEM (Finite Element Method), dividendo (in modo di per sé noto) le strutture meccaniche irregolari in un numero opportuno di porzioni regolari. La massa di rilevamento 3, supposta planare, avrà dunque uno spostamento zmassalungo l’asse ortogonale z dato da:

zmassa= b0+b1·x+b2·y

Interpolando con un piano le posizioni dei punti di vincolo 13 (x=a; y=b), utilizzando il metodo dei minimi quadrati, si ricava la seguente espressione per lo spostamento zmassadella massa di rilevamento 3:

zmassa= (c0+c4·a<2>+c5·b<2>)+(c1+c7·b<2>+c8·a<2>)·x+(c2+c6·a<2>+c9·b<2>)·y In una fase successiva, fase 23, si determina quindi lo scostamento medio, per ciascuno degli elettrodi fissi 5a, 5b (in particolare per ciascuno dei relativi inviluppi), tra la deformazione del substrato 2 e lo spostamento della massa di rilevamento 3, effettuando un’integrazione sull’intera area degli elettrodi stessi (in particolare, la relativa area di inviluppo). Lo scostamento tra la deformazione del substrato 2 e lo spostamento della massa di rilevamento 3 è dato da:

∆z = zmassa-zsub

e lo scostamento medio S_medio è dato dall’integrale di tale scostamento rispetto all’area di integrazione (l’area Ω di ciascun elettrodo fisso 5a, 5b):

Per determinare i valori ottimali dei parametri a e b si può quindi procedere in modo numerico ed iterativo, fase 24, per minimizzare lo scostamento medio come sopra formulato. A tal fine, si può procedere con l’imposizione iterativa di nuovi valori per i parametri a e b (tornando alla fase 20) e la determinazione del nuovo scostamento medio, fino a quando si arriva alla minimizzazione della suddetta espressione, come indicato nella fase 25.

Inoltre, si può procedere (in maniera non illustrata in figura) con la determinazione delle variazioni di offset e di sensibilità dovute alla deformazione del substrato 2, utilizzando le seguenti espressioni:

offset = S·((dist1- dist1_in) – (dist2- dist2in))

sens = (dist1in+ dist2in) / (dist1+ dist2)

in cui S è la sensibilità all’accelerazione (cioè il valore di accelerazione in uscita rispetto allo spostamento che lo ha prodotto, espresso in unità di misura [m/s<2>/ m]), dist1, dist2sono le distanze medie tra il primo ed il secondo elettrodo fisso 5a, 5b e la massa di rilevamento 3, in presenza di una deformazione del substrato 2, e dist1ine dist2insono le distanze medie iniziali (o a riposo) tra il substrato 2 e gli stessi elettrodi fissi 5a, 5b, in assenza di deformazioni del substrato.

In base ai valori di offset e sensibilità ottenuti si può quindi procedere iterativamente nel scegliere una nuova posizione degli ancoraggi, e continuare la procedura fino ad arrivare alla determinazione delle posizioni dei punti di vincolo 13 che minimizzano le variazioni di offset e sensibilità per qualsiasi deformazione del substrato 2.

Nel caso precedentemente illustrato con elettrodi fissi 5a, 5b di geometria rettangolare (nel piano del sensore xy), e considerando dapprima la deformazione in funzione della sola coordinata y per la determinazione del parametro b relativo alla posizione ottimale dei punti di vincolo 13 lungo il secondo asse y, le suddette espressioni si semplificano nel modo seguente:

zsub= c0+c2·y c5·y<2>+c9·y3

zmassa= (c0+c5·b<2>) (c2+c9·b<2>)·y

∆z = -c5·b<2>-c9·b<2>·y+c5·y<2>+c9·y3

Il valore del parametro b si ottiene quindi minimizzando la suddetta espressione semplificata per lo scostamento medio S_medio.

In figura 8 viene mostrato l’andamento dello scostamento medio S_medio in funzione del valore del parametro b (avendo scelto i valori di x1e x2), nei due casi di deformazione cubica (linea tratteggiata) e di deformazione quadratica (linea continua), evidenziando con un cerchio i valori della coordinata b per cui si annulla lo scostamento medio. I due punti di ottimo sono molto vicini, per cui durante la progettazione, verrà scelto un valore di compromesso in funzione della conoscenza della specifica deformazione del substrato 2 in temperatura (associata al particolare package utilizzato).

In ogni caso, la coordinata b ottimale soddisfa in tale caso la relazione:

x1< b < x2

ed in particolare, nel caso raffigurato:

x10,5·(x2-x1) < b < x10,7·(x2-x1)

essendo dunque la posizione ottimale dei punti di vincolo 13 posta sostanzialmente in corrispondenza del punto medio (o baricentro) lungo il secondo asse y della regione di inviluppo associata agli elettrodi fissi 5a, 5b.

Analogamente, considerando la deformazione in funzione della sola coordinata x, per la determinazione del parametro a relativo alla posizione dei punti di vincolo 13 lungo il primo asse x, si ottengono le seguenti espressioni semplificate:

Nuovamente, Il valore della coordinata a si ottiene minimizzando la suddetta espressione; in questo caso, la componente cubica della deformazione non dà evidentemente alcun contributo, dato l’intervallo di integrazione simmetrico tra

In figura 9 viene mostrato l’andamento dello scostamento medio S_medio in funzione della coordinata a (avendo scelto il valore w della semilunghezza degli elettrodi fissi 5a, 5b), nel caso di deformazione quadratica, evidenziando con un cerchio il valore della coordinata a per cui si annulla lo scostamento medio (punto di ottimo). La coordinata ottimale a soddisfa la relazione:

ed in particolare, nel caso raffigurato:

In particolare, è possibile dimostrare che il valore ottimale per la coordinata a (rispetto al valore w) è dato, nel caso illustrato di geometria rettangolare degli elettrodi, da:

a = w/√3

Nuovamente, la posizione dei punti di vincolo 13 corrisponde dunque sostanzialmente al punto medio (o baricentro) lungo il primo asse x di ciascuna semiporzione (considerata rispetto all’origine O) della regione di inviluppo degli elettrodi fissi 5a, 5b.

Nell’implementazione reale della struttura, la disposizione degli elementi di ancoraggio 14 e degli elementi elastici di supporto 15 (che insieme cooperano per definire i punti di vincolo 13 della massa di rilevamento 3 rispetto al substrato 2) deriva non solo dalla posizione ottimale dei punti di vincolo 13 determinata in fase di progetto (come precedentemente illustrato), ma anche dalla tecnologia e del procedimento di fabbricazione utilizzati.

Ad esempio, nelle figure 10a e 10b viene illustrata una possibile realizzazione della struttura MEMS 10, che tiene conto dei vincoli tecnologici previsti dal procedimento di fabbricazione.

In dettaglio, gli elementi di ancoraggio 14 sono costituiti da pilastri a sezione genericamente quadrata (parallelamente al piano del sensore xy), disposti in prossimità di un rispettivo elettrodo fisso 5a, 5b, in particolare almeno in parte all’interno di una rientranza (o incavo) 30 ricavata all’interno del rispettivo elettrodo fisso 5a, 5b. Di conseguenza, nel contorno di ciascuno degli elettrodi fissi 5a, 5b sono ricavate due rientranze 30, atte ad alloggiare almeno parte di un rispettivo elemento di ancoraggio 14. Alle rientranze 30 corrispondono analoghi incavi realizzati all’interno della massa di rilevamento 3, i quali si aprono verso l’apertura passante 4 e risultano ad essa raccordati.

Gli elementi elastici di supporto 15 sono qui costituiti da un primo elemento torsionale 15a, estendentesi sostanzialmente in maniera rettilinea lungo il secondo asse y, lateralmente rispetto al rispettivo elemento di ancoraggio 14 (relativamente al primo asse x), e da un secondo elemento torsionale 15b, estendentesi sostanzialmente in maniera rettilinea lungo il primo asse x, lateralmente (relativamente al secondo asse y) rispetto allo stesso elemento di ancoraggio 14, ed avente un’estremità in comune con il primo elemento torsionale 15a. Inoltre, il primo elemento torsionale 15a presenta un’ulteriore estremità collegata alla massa di accoppiamento 12, ed il secondo elemento torsionale 15b presenta un’ulteriore estremità collegata al rispettivo elemento di ancoraggio 14 tramite un elemento di collegamento 32, il quale si estende ortogonalmente a tale secondo elemento torsionale lungo il secondo asse y.

Il primo ed il secondo elemento torsionale 15a, 15b presentano una configurazione e caratteristiche meccaniche tali da definire, in corrispondenza dell’estremità in comune, un rispettivo punto di vincolo 13, avente un funzionamento a cerniera (come precedentemente descritto in dettaglio). In particolare, la posizione di tale estremità in comune coincide con la posizione del punto di vincolo 13 determinata in sede di progetto, come precedentemente illustrato, in modo tale da minimizzare le differenze tra gli spostamenti degli elettrodi fissi 5a, 5b e della massa di rilevamento 13 lungo l’asse ortogonale z in occasione di deformazioni del substrato 2. In particolare, il punto di vincolo 13 è fisicamente posizionato esternamente all’effettivo contorno del rispettivo elettrodo fisso 5a, 5b, data la necessità di realizzare il rispettivo elemento di ancoraggio 14 almeno in parte nello stesso livello (rispetto all’asse ortogonale z); in ogni caso, è evidente che la posizione dello stesso punto di vincolo 13 risulta interna alla regione di inviluppo del rispettivo elettrodo fisso 5a, 5b.

In maggiore dettaglio, ciascuno degli elementi torsionali 15a, 15b è costituito da una trave avente una lunghezza ridotta, ed è configurato in modo da essere libero di effettuare rotazioni intorno al proprio asse (asse x o y, a seconda della direzione lungo cui esso si estende in lunghezza), e da essere rigido agli altri tipi di rotazioni/spostamenti.

La massa di accoppiamento 12 presenta in questa forma di realizzazione una geometria sostanzialmente rettangolare in pianta (nel piano del sensore xy) allungata lungo il primo asse x, ed avente un corpo 12a e due estremità (lungo il primo asse x) 12b, 12c conformate, rispettivamente, a “C” e a “C rovesciata”. In particolare, ciascuna estremità 12b, 12c è formata da due elementi di prolungamento 34, 35, che sporgono a sbalzo dal corpo 12a al di sopra del substrato 2, e definiscono tra loro una cavità 36. All’interno delle cavità 36 si estendono gli elementi elastici di collegamento 8a, 8b, per collegarsi al corpo 12a. I primi elementi torsionali 15a di ciascun elemento elastico di supporto 15 si collegano invece ad un’estremità libera di un rispettivo elemento di prolungamento 34, 35.

Grazie alla disposizione strutturale descritta, la massa di rilevamento 3, collegata rigidamente alla massa di accoppiamento 12, in seguito alle deformazioni del substrato 2 si sposta lungo l’asse ortogonale z in modo sostanzialmente corrispondente agli spostamenti degli elettrodi fissi 5a, 5b in corrispondenza dei punti di vincolo 13, così da minimizzare le variazioni del gap relativo tra la stessa massa di rilevamento e gli stessi elettrodi fissi; in particolare, data la configurazione degli elementi di ancoraggio 14 e degli elementi elastici di supporto 15, esiste una pluralità di punti (i punti di vincolo 13, presenti ad esempio in numero pari a quattro), per cui lo spostamento lungo l’asse ortogonale z della massa di rilevamento 3 coincide sostanzialmente (a meno di errori di interpolazione) con lo spostamento del substrato 2 (e dunque degli elettrodi fissi 5a, 5b) dovuto alla sua deformazione.

I vantaggi della struttura di rilevamento microelettromeccanica proposta emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In ogni caso, si sottolinea nuovamente come la particolare realizzazione e disposizione dei punti di vincolo 13 della massa di rilevamento 3 al substrato 2 consente di rendere praticamente insensibile alle deformazioni del substrato stesso (ad esempio dovute a variazioni di temperatura o stress esterni, quali la saldatura ad un circuito stampato) il rilevamento delle accelerazioni lungo l’asse ortogonale z. Vengono infatti fortemente ridotte (sostanzialmente annullate) le variazioni di offset e sensibilità del sensore in funzione delle deformazioni del substrato 2, minimizzando dunque in generale i drift termici.

Inoltre, la soluzione descritta per l’ancoraggio ed il supporto della massa di rilevamento 3 rispetto al substrato 2 non comporta alcuna modifica sostanziale per quanto riguarda le modalità di rilevamento delle accelerazioni esterne ed il funzionamento generale del sensore. Vantaggiosamente, la struttura MEMS 10 presenta le stesse dimensioni globali e lo stesso ingombro rispetto a soluzioni tradizionali (cioè che prevedano un unico ancoraggio centrale disposto sull’asse di rotazione A).

Tali vantaggi rendono dunque particolarmente vantaggioso l’utilizzo della struttura MEMS 10 e del relativo sensore di accelerazione ad asse z in un dispositivo elettronico 40, come illustrato in figura 11; in particolare, in tale figura 11, è indicato con 42 il sensore microelettromeccanico che include la struttura MEMS 10 precedentemente descritta ed un circuito ASIC 43 che realizza la relativa interfaccia di lettura (e che può essere realizzato nella stessa piastrina – die – in cui è realizzata la struttura MEMS 10 o in una differente piastrina, che può comunque essere alloggiata nello stesso package).

Il dispositivo elettronico 40 è preferibilmente un dispositivo portatile di comunicazione mobile, come ad esempio un telefono cellulare, un PDA (Personal Digital Assistant), un computer portatile, ma anche un riproduttore di audio digitale con capacità di registrazione vocale, una foto- o video-camera, un controller per videogames, ecc.; il dispositivo elettronico 40 essendo generalmente in grado di elaborare, memorizzare e/o trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.

Il dispositivo elettronico 40 comprende un microprocessore 44, che riceve i segnali di accelerazione rilevati dal sensore microelettromeccanico 42, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 45, ad esempio dotata di una tastiera e di un video, collegata al microprocessore 44. Inoltre, il dispositivo elettronico 40 può comprendere un altoparlante 47, per generare suoni su un’uscita audio (non mostrata), ed una memoria interna 48.

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, è evidente che il numero di punti di vincolo 13 con cui si accoppia meccanicamente la massa di rilevamento 3 al substrato 2 può variare rispetto a quanto illustrato, essendo infatti possibile utilizzarne un numero minore o maggiore. Naturalmente, l’utilizzo di un numero di punti di vincolo inferiore a quattro comporta una progressiva riduzione delle capacità di compensazione delle deformazioni del substrato 2, mentre l’utilizzo di un numero di punti di vincolo maggiore, pur consentendo di compensare deformazioni di ordine superiore (deformazione del quarto o quinto ordine, o superiori), in quanto permette di avere a disposizione più gradi di libertà per la minimizzazione della variazione media di distanza, comporta tuttavia una progressiva complicazione della struttura MEMS. In ogni caso, è possibile ad esempio realizzare una struttura MEMS in cui sia presente un solo punto di vincolo 13 per ciascun inviluppo (positivo e negativo rispetto al centro di gravità O) degli elettrodi fissi 5a, 5b, ad esempio posto esattamente in corrispondenza del punto medio di tale inviluppo lungo gli assi x ed y.

Inoltre, alcuni aspetti della struttura MEMS 10 potrebbero variare, senza che questo comporti modifiche sostanziali alla soluzione proposta per l’ancoraggio e la sospensione della massa di rilevamento 3. Ad esempio, il numero di elettrodi fissi potrebbe variare rispetto a quanto illustrato, potendo infatti essere presente un numero maggiore di elettrodi (ad esempio cortocircuitati tra loro secondo opportune disposizioni di elettrodi fissi atte a formare con la massa di rilevamento 3 complessivamente i due condensatori di rilevamento C1, C2), oppure anche un solo elettrodo fisso, nel caso in cui non si adotti uno schema di rilevamento differenziale. In particolare, anche nel caso in cui sia presente un numero maggiore di elettrodi fissi, la regione di inviluppo all’interno della quale sarà in ogni caso compresa la posizione dei punti di vincolo 13 racchiude, da entrambi i lati dell’asse di rotazione A, l’intera area su cui tali elettrodi sono realizzati, essendo in tal caso considerata globalmente per la determinazione della regione di inviluppo l’intera disposizione degli stessi elettrodi fissi. La forma degli stessi elettrodi fissi potrebbe inoltre variare rispetto a quanto illustrato, la regione di inviluppo (rispetto al piano del sensore xy) essendo generalmente compresa tra le coordinate minime e massime, lungo gli assi x ed y, del contorno degli elettrodi stessi.

È chiaro infine che la soluzione descritta può essere applicata vantaggiosamente anche in differenti tipologie di trasduttori in cui sia richiesto il rilevamento di una variazione capacitiva lungo l’asse ortogonale z, ad esempio in giroscopi, microfoni o sensori di pressione. È inoltre evidente che la soluzione descritta si applica in maniera equivalente a sensori monoassiali o a sensori biassiali o triassiali in grado di rilevare accelerazioni anche lungo il primo e/o il secondo asse x, y (essendo tali sensori dotati a tal fine di ulteriori elettrodi mobili e fissi, realizzati e disposti in modo di per sé noto).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Struttura di rilevamento MEMS (10), comprendente: - un substrato (2) avente una superficie superiore (2a) sulla quale è disposta almeno una prima disposizione (“arrangement”) di elettrodo fisso (5a); - una massa di rilevamento (3), estendentesi in un piano (xy) e sospesa al di sopra di detto substrato (2) e di detta prima disposizione di elettrodo fisso (5a) ad una distanza di separazione (gap1); ed - elementi elastici di collegamento (8a, 8b) configurati in modo da supportare detta massa di rilevamento (3) così che sia libera di ruotare fuori da detto piano (xy) intorno ad un asse di rotazione (A) modificando detta distanza di separazione (gap1), in funzione di una grandezza da rilevare lungo un asse ortogonale (z) a detto piano (xy), caratterizzata dal fatto di comprendere una massa di accoppiamento (12), sospesa al di sopra di detto substrato (2) e collegata a detta massa di rilevamento (3) tramite detti elementi elastici di collegamento (8a, 8b); ed una disposizione di ancoraggio (14, 15) configurata in modo da ancorare detta massa di accoppiamento (12) a detto substrato (2) con almeno un primo punto di vincolo (13), disposto a distanza da detto asse di rotazione (A) ed in corrispondenza di detta prima disposizione di elettrodo fisso (5a).
2. Struttura secondo la rivendicazione 1, in cui detto piano (xy) è definito da un primo (x) e da un secondo (y) asse, tra loro ortogonali; e detto primo punto di vincolo (13) è disposto all’interno di una regione di inviluppo di detta prima disposizione di elettrodo fisso (5a), rispetto a detto piano (xy).
3. Struttura secondo la rivendicazione 2, in cui detta disposizione di ancoraggio (14, 15) è configurata in modo tale che detta massa di accoppiamento (12) è sostanzialmente immobile rispetto a detta grandezza da rilevare, ed uno spostamento di detto substrato (2) lungo detto asse ortogonale (z) in corrispondenza di detto primo punto di vincolo (13) genera un corrispondente spostamento di detta massa di accoppiamento (12) lungo detto asse ortogonale (z); ed in cui detti elementi elastici di collegamento (8a, 8b) sono configurati in modo che il risultante spostamento di detta massa di accoppiamento (12) generi un corrispondente spostamento di detta massa di rilevamento (3).
4. Struttura secondo la rivendicazione 3, in cui detta disposizione di ancoraggio (14, 15) è configurata in modo da definire un elemento di cerniera in corrispondenza di detto primo punto di vincolo (13).
5. Struttura secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detto primo punto di vincolo (13) è disposto in una posizione (a, b) sostanzialmente corrispondente ad un punto medio di detta regione di inviluppo, lungo detto secondo (y) e/o primo (x) asse definenti detto piano (xy).
6. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, in cui detta disposizione di ancoraggio (14, 15) è configurata in modo da ancorare detta massa di accoppiamento (12) a detto substrato (2) con ulteriori punti di vincolo (13), ed in modo tale che spostamenti di detto substrato (2) lungo detto asse ortogonale (z) in corrispondenza di detto primo ed ulteriori punti di vincolo (13) generino corrispondenti spostamenti di detta massa di accoppiamento (12) lungo detto asse ortogonale (z); detta massa di accoppiamento (12) essendo atta a disporsi nello spazio secondo un piano interpolante detti corrispondenti spostamenti lungo detto asse ortogonale (z), originando detto spostamento risultante.
7. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-6, in cui detto primo punto di vincolo (13) è disposto in una posizione (a, b) tale da ridurre uno scostamento medio (S_medio) tra lo spostamento (zmassa) di detta massa di rilevamento (3) e lo spostamento (zsub) di detto substrato (2) lungo detto asse ortogonale (z) in una regione circostante detto primo punto di vincolo (13), in seguito ad una deformazione di detto substrato (2).
8. Struttura secondo la rivendicazione 7, in cui detto primo punto di vincolo (13) è disposto in una posizione (a, b) tale da minimizzare detto scostamento medio (S_medio).
9. Struttura secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto primo asse (x) è sostanzialmente parallelo a detto asse di rotazione (A), ed in cui detta regione di inviluppo presenta coordinate lungo detto secondo asse (y), riferite a detto asse di rotazione, comprese tra un primo valore minimo (x1) ed un primo valore massimo (x2), e coordinate lungo detto primo asse (x) comprese tra un secondo valore minimo (-w) ed un secondo valore massimo (+w); ed in cui detto primo punto di vincolo (13) è disposto ad una distanza (b) da detto asse di rotazione (A) lungo detto secondo asse (y) il cui valore è compreso tra detto valore minimo (x1) e detto valore massimo (x2), e presenta una coordinata (a) lungo detto primo asse (x) compresa tra detto secondo valore minimo (-w) e detto secondo valore massimo (+w).
10. Struttura secondo la rivendicazione 9, in cui detta prima disposizione di elettrodo fisso (5a) presenta una regione di inviluppo sostanzialmente rettangolare in detto piano (xy), ed in cui detta disposizione di ancoraggio (14, 15) è configurata in modo da ancorare detta massa di accoppiamento (12) a detto substrato (2) con almeno un secondo punto di vincolo (13) oltre a detto primo punto di vincolo (13), anch’esso disposto all’interno di detta regione di inviluppo; detti primo e secondo punto di vincolo essendo disposti lungo detto primo asse (x) in maniera simmetrica rispetto ad un asse mediano di detta regione di inviluppo, parallelo a detto secondo asse (y) ed attraversante detto primo asse (x) in un punto di origine (O) avente un valore nullo di coordinata lungo detto primo asse (x); ed in cui la coordinata (a) di detto primo punto di vincolo (13) lungo detto primo asse (x) soddisfa in valore assoluto la seguente relazione: 0 < a < w in cui w è il valore assoluto di detto secondo valore minimo (-w) e di detto secondo valore massimo (+w).
11. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta disposizione di ancoraggio (14, 15) comprende almeno un elemento di ancoraggio (14) accoppiato rigidamente su detto substrato (2), ed almeno un elemento elastico di supporto (15) atto a collegare detta massa di accoppiamento (12) a detto elemento di ancoraggio (14); detto elemento elastico di supporto (15) avendo, rispetto a detti elementi elastici di collegamento (8a, 8b), una rigidezza maggiore, in modo tale da essere sostanzialmente rigido rispetto a detta grandezza da rilevare lungo detto asse ortogonale (z).
12. Struttura secondo la rivendicazione 11, in cui detto elemento di ancoraggio (14) è almeno in parte disposto all’interno di una regione di inviluppo di detta prima disposizione di elettrodo fisso (5a), rispetto a detto piano (xy).
13. Struttura secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detto piano (xy) è definito da un primo (x) e da un secondo (y) asse, tra loro ortogonali; ed in cui detto elemento elastico di supporto (15) comprende una prima molla torsionale (15a) avente estensione rettilinea lungo detto secondo asse (y) e collegata a detta massa di accoppiamento (12), ed una seconda molla torsionale (15b) avente estensione rettilinea lungo detto primo asse (x) e collegata a detto elemento di ancoraggio (14); dette prima (15a) e seconda (15b) molla torsionale avendo un’estremità in comune in corrispondenza della quale sono atte a definire detto primo punto di vincolo (13).
14. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta massa di rilevamento (3) presenta un’apertura passante (4) all’interno della quale sono disposte detta massa di accoppiamento (12) e detta disposizione di ancoraggio (14, 15); ed in cui detti elementi elastici di collegamento (8a, 8b) si estendono all’interno di detta apertura passante (4) e sono allineati a definire detto asse di rotazione (A).
15. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una seconda disposizione di elettrodo fisso (5b) disposta su detto substrato (2) da parte opposta di detta prima disposizione di elettrodo fisso (5a) rispetto a detto asse di rotazione (A); detta massa di rilevamento (3) essendo disposta al di sopra di detto substrato (2) in modo tale da formare un primo ed un secondo condensatore di rilevamento (C1, C2) rispettivamente con detta prima (5a) e seconda (5b) disposizione di elettrodo fisso, un cui valore di capacità è destinato a variare in maniera differenziale in funzione di detta grandezza da rilevare.
16. Sensore microelettromeccanico (42), comprendente una struttura di rilevamento MEMS (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un circuito di interfaccia di lettura (43) accoppiato elettricamente a detta struttura di rilevamento MEMS (10).
17. Sensore secondo la rivendicazione 17, in cui detta struttura di rilevamento MEMS (10) e detto circuito di interfaccia di lettura (43) realizzano un accelerometro ad asse z, e detta grandezza da rilevare è un’accelerazione diretta lungo detto asse ortogonale (z) a detto piano (xy).
18. Dispositivo elettronico (40) comprendente un sensore microelettromeccanico (42) secondo la rivendicazione 16 o 17, ed un’unità a microprocessore (44) collegata elettricamente a detto circuito di interfaccia di lettura (43); in particolare detto dispositivo elettronico (40) essendo scelto nel gruppo comprendente: un telefono cellulare; un PDA (Personal Digital Assistant); un computer portatile; un riproduttore di audio digitale con capacità di registrazione vocale; una foto-camera o video-camera; un dispositivo di controllo per videogiochi.
19. Procedimento di realizzazione di una struttura di rilevamento MEMS (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente la fase di determinare una posizione (a, b) di detto primo punto di vincolo (13) in modo tale da ridurre uno scostamento medio (S_medio) tra lo spostamento (zmassa) di detta massa di rilevamento (3) e lo spostamento (zsub) di detto substrato (2) lungo detto asse ortogonale (z) in una regione circostante detto primo punto di vincolo (13), in seguito ad una deformazione di detto substrato (2).
20. Procedimento secondo la rivendicazione 19, in cui detta fase di determinare comprende determinare in modo numerico ed iterativo la posizione (a, b) di detto primo punto di vincolo (13), in modo tale da minimizzare detto scostamento medio (S_medio).
21. Procedimento secondo la rivendicazione 20, in cui detta fase di minimizzare comprende: - determinare un’espressione dello spostamento (zsub) di detto substrato (2) lungo detto asse ortogonale (z), considerando una deformazione di detto substrato (2) fino all’ordine cubico; - determinare un’espressione dello spostamento (zmassa) di detta massa di rilevamento (3) lungo detto asse ortogonale (z), imponendo che detto spostamento (zmassa) di detta massa di rilevamento (3) approssimi detto spostamento (zsub) di detto substrato (2) in corrispondenza di detto primo punto di vincolo (13); - determinare un’espressione della differenza (∆z) tra lo spostamento (zmassa) di detta massa di rilevamento (3) e lo spostamento (zsub) di detto substrato (2); - integrare detta differenza (∆z) su un’area di estensione (Ω) di detta prima disposizione di elettrodo fisso (5a) in modo da ottenere un’espressione di scostamento medio (S_medio); e - determinare iterativamente una posizione (a, b) di detto primo punto di vincolo (13) che minimizza detta espressione di scostamento medio (S_medio).
22. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 19-21, comprendente inoltre la fase di determinare una variazione di offset e/o di sensibilità di detta struttura di rilevamento MEMS (10) nel rilevamento di detta grandezza da rilevare in funzione della deformazione di detto substrato (2), ed in cui detta fase di determinare una posizione (a, b) di detto primo punto di vincolo (13) comprende determinare iterativamente la posizione (a, b) di detto primo punto di vincolo (13) che minimizza detta variazione di offset e/o di sensibilità.