ITTO20090929A1 - Struttura risonante microelettromeccanica con migliorate caratteristiche elettriche - Google Patents

Struttura risonante microelettromeccanica con migliorate caratteristiche elettriche Download PDF

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ITTO20090929A1
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Annarita Morea
Anna Pomarico
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Description

DESCRIZIONE
“STRUTTURA RISONANTE MICROELETTROMECCANICA CON MIGLIORATE CARATTERISTICHE ELETTRICHEâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad una struttura risonante microelettromeccanica MEMS (dall’inglese Micro-Electro-Mechanical Structure) con migliorate caratteristiche elettriche, in particolare per applicazioni di orologio a tempo reale (RTC - Real Time Clock), a cui la trattazione seguente farà riferimento senza per questo perdere in generalità.
In modo noto, dispositivi RTC sono comunemente impiegati con funzione di orologio all'interno di apparecchi elettronici, portatili o non, quali ad esempio telefoni cellulari, videocamere o fotocamere, apparecchi automotive, elettrodomestici, terminali di raccolta dati, lettori di smartcard, ecc., al fine di conteggiare il passare del tempo reale (in termini di anni, mesi, giorni, ore, minuti e secondi), anche quando i relativi apparecchi elettronici sono spenti. Un dispositivo RTC comprende generalmente a tal fine: un circuito oscillatore dotato di una opportuna struttura risonante atta a generare una frequenza operativa (o di risonanza), tipicamente pari a 32,768 kHz; un circuito di elaborazione, accoppiato al circuito oscillatore, per conteggiare il passaggio del tempo sulla base di tale frequenza operativa; ed un’opportuna sorgente di alimentazione per fornire l’alimentazione elettrica al dispositivo.
Sebbene la tecnologia al quarzo abbia dominato per decenni il campo della generazione di frequenze (anche per applicazioni di orologio in tempo reale), in tempi recenti sono stati proposti, con successo sempre maggiore, risonatori MEMS a base di silicio. I vantaggi legati all’impiego di risonatori MEMS sono rappresentati soprattutto da un forte abbattimento delle dimensioni e dalla notevole riduzione dei costi, grazie alla possibilità di realizzare i risonatori MEMS con processi di fabbricazione standard dei circuiti integrati, ed alla possibilità di integrare a basso costo in uno stesso chip sia la struttura meccanica che il relativo circuito elettronico (sotto forma di ASIC – Application Specific Integrated Circuit).
I risonatori MEMS includono strutture micromeccaniche realizzate mediante tecniche di microlavorazione (micromachining), che, in conseguenza di sollecitazioni esterne (sotto forma di opportune polarizzazioni elettriche), sono indotte a vibrare alla loro frequenza di risonanza naturale. Tali strutture micromeccaniche comprendono una massa mobile, ancorata ad un substrato mediante appositi elementi di vincolo meccanici, che viene posta in risonanza. La massa mobile forma, con una struttura fissa di elettrodo ad essa accoppiata, un condensatore, e la vibrazione in risonanza della massa mobile provoca una variazione della capacità di tale condensatore, che viene convertita in un segnale di uscita alla desiderata frequenza operativa.
In particolare, le soluzioni fino ad oggi proposte per la realizzazione di risonatori MEMS in silicio sono rappresentate da strutture di tipo laterale, in cui cioà ̈ la massa mobile, sospesa al di sopra del substrato mediante gli opportuni elementi di vincolo, vibra in una direzione parallela allo stesso substrato.
L’accoppiamento capacitivo tra la massa mobile e la struttura fissa di elettrodo, ad essa affacciata durante l’oscillazione, può essere realizzato con una configurazione di tipo interdigitato (cosiddetta “comb-finger†) o con una configurazione a piatti paralleli (cosiddetta “parallel-plate†). Nella configurazione interdigitata (si veda ad esempio il documento: W. C. Tang, T.-C. H. Nguyen, R. T. Howe, “Laterally driven polysilicon resonant microstructures†), l’impiego di un elevato numero di dita (“fingers†) associate alla, ed estendentisi a partire dalla, massa mobile, e di corrispondenti elettrodi fissi ad esse affacciati, consente di produrre un elevato accoppiamento capacitivo tra la massa mobile e gli elettrodi fissi. Tuttavia, à ̈ stata dimostrata l’impossibilità di regolare la frequenza operativa del dispositivo (cosiddetta “tunability†), e quindi anche di correggere gli spostamenti (cosiddetti “shift†) di tale frequenza dovuti agli spread del processo tecnologico ed alle variazioni di temperatura. In particolare, à ̈ stata dimostrata l’invarianza intrinseca della frequenza di risonanza rispetto alla tensione di polarizzazione applicata agli elettrodi.
Nella configurazione a piatti paralleli (si veda ad esempio US 2008/0186109 A1), à ̈ la stessa massa mobile che costituisce, con le sue superfici affacciate parallelamente a corrispondenti superfici degli elettrodi fissi, uno dei piatti del condensatore la cui variazione capacitiva à ̈ utilizzata per la generazione del segnale di uscita alla desiderata frequenza operativa. In tal caso, à ̈ stata dimostrata la possibilità di compensare gli eventuali spostamenti della frequenza di risonanza, tramite la variazione del potenziale di polarizzazione applicato tra la stessa massa mobile e gli elettrodi fissi. Infatti,la variazione della tensione di polarizzazione consente di modificare la forza elettrostatica agente sulla struttura risonante, modificandone lo stato di stress e quindi la costante elastica effettiva. Tuttavia, tale vantaggio à ̈ controbilanciato dalla difficoltà di ottenere in tal caso un efficiente accoppiamento capacitivo, e quindi una bassa resistenza equivalente (cosiddetta “resistenza mozionale†) della struttura meccanica.
Questo inconveniente à ̈ dovuto principalmente a limiti tecnologici (legati alle tecnologie fotolitografiche utilizzate per la definizione della massa mobile) nella realizzazione di distanze (gap) controllabili e sufficientemente piccole (inferiori al Î1⁄4m) tra la massa mobile e gli elettrodi fissi sull’intera fetta, e di un’area di affaccio sufficientemente estesa tra gli stessi elementi. Il gap laterale tra massa mobile ed elettrodi fissi à ̈ infatti vincolato dalla minima risoluzione del processo di attacco fotolitografico, mentre l’area di affaccio à ̈ limitata dal ridotto spessore della massa mobile in direzione ortogonale al substrato.
In maggiore dettaglio, si può dimostrare che la resistenza equivalente, o mozionale, Rmdella struttura meccanica del risonatore à ̈ data dalla seguente espressione:
4
k eq ×d
R<m>= 2 2 × 2 (1)
ω0×Q×VP×ε0 A
in cui keqà ̈ la costante elastica equivalente della struttura risonante, ω0à ̈ la pulsazione naturale di risonanza (con ω0= keq/meq, dove meqà ̈ la massa equivalente della massa mobile), Q à ̈ il fattore di qualità, Vpà ̈ la tensione di polarizzazione applicata tra la massa mobile e la struttura di elettrodo fisso, ε0à ̈ la costante dielettrica del vuoto, A à ̈ l’area della superficie di accoppiamento capacitivo e d à ̈ il gap tra la stessa massa mobile e la struttura di elettrodo fisso. La resistenza mozionale Rmrisulta dunque direttamente proporzionale alla quarta potenza del gap d, ed inversamente proporzionale al quadrato della superficie di affaccio A.
La presente richiedente ha constatato che una riduzione della resistenza mozionale sarebbe sicuramente auspicabile, in quanto consentirebbe di ridurre il consumo energetico del circuito ASIC associato alla struttura micromeccanica risonante, evitando in particolare l’introduzione di pompe di carica per raggiungere gli elevati valori di tensione di polarizzazione altrimenti richiesti. Inoltre, la riduzione della resistenza mozionale consentirebbe di sfruttare più efficacemente il potenziale di polarizzazione per la tunability del dispositivo, sia per la correzione degli spostamenti della frequenza nativa (intrinsecamente variabile a causa degli spread del processo fotolitografico) che per la correzione degli spostamenti in frequenza dovuti a variazioni di temperatura.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una struttura MEMS risonante che presenti migliorate caratteristiche meccaniche ed elettriche, in particolare per quanto riguarda i consumi e la possibilità di regolazione della frequenza di risonanza.
Secondo la presente invenzione viene pertanto fornita una struttura MEMS risonante, 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 quali:
- la figura 1a à ̈ una rappresentazione schematica, in vista dall’alto, di una struttura MEMS risonante secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 1b à ̈ una vista in sezione laterale della struttura di figura 1a;
- le figure 2-6 sono rappresentazioni schematiche, in vista dall’alto, di porzioni di strutture MEMS risonanti secondo ulteriori forme di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 7 mostra un circuito oscillatore che può essere accoppiato, in uso, alla struttura risonante MEMS;
- le figure 8a e 8b mostrano, rispettivamente in una vista dall’alto e in una vista in sezione laterale, una struttura risonante MEMS secondo un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione; e
- le figure 9a e 9b mostrano, rispettivamente in una vista dall’alto e in una vista in sezione laterale, una struttura risonante MEMS secondo ancora un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.
Come sarà chiarito in dettaglio nel seguito, un aspetto della presente invenzione prevede la realizzazione di una struttura micromeccanica risonante di tipo verticale, in cui la massa mobile à ̈ in grado di oscillare in risonanza in una direzione trasversale alla superficie superiore del substrato, anziché parallelamente allo stesso substrato. La massa mobile à ̈ accoppiata capacitivamente, in configurazione “parallel-plate†, ad almeno un elettrodo fisso posto sul substrato, in modo tale che il gap caratteristico della struttura risonante viene ad essere determinato dall’altezza dello strato di aria tra la massa mobile e lo stesso elettrodo fisso (lo spessore di tale gap verticale può così essere agevolmente regolato e ridotto in valore, come descritto in seguito, mediante l’attacco e la rimozione di una regione di materiale sacrificale).
Come illustrato schematicamente nelle figure 1a e 1b, una struttura MEMS risonante, indicata nel suo insieme con 1, presenta un substrato 2 di materiale semiconduttore, in particolare silicio, avente una superficie superiore 2a con estensione sostanzialmente planare in un piano xy definito da un primo ed un secondo asse orizzontale x, y.
La struttura MEMS risonante 1 comprende una massa mobile 4, del tipo a membrana (avente cioà ̈ uno spessore sensibilmente inferiore rispetto alla sua estensione planare), sospesa al di sopra di, ed ancorata al, substrato 2. In particolare, la massa mobile 4 à ̈ disposta parallelamente al substrato 2 e presenta un’estensione principale nel piano xy, e spessore, trascurabile rispetto a tale estensione principale, lungo un asse ortogonale z (direzione verticale), perpendicolare a tale piano xy.
La massa mobile 4 Ã ̈ collegata, mediante elementi elastici 5, ad elementi di ancoraggio 6, solidali al substrato 2; gli elementi di ancoraggio 6 si estendono verticalmente a pilastro a partire dalla superficie superiore 2a dello stesso substrato 2 fino ad arrivare al livello della massa mobile 4.
In particolare, gli elementi elastici 5 sono disposti e configurati in modo tale che la massa mobile 4 sia in grado di oscillare (quando opportunamente sollecitata, come descritto in seguito) lungo l’asse ortogonale z, mantenendosi costantemente parallela alla superficie superiore 2a del substrato 2; gli elementi elastici 5 sono a tal fini cedevoli lungo l’asse ortogonale z.
In maggiore dettaglio, in una forma di realizzazione, mostrata nelle figure 1a, 1b, la massa mobile 4 presenta, nel piano xy, una forma sostanzialmente quadrata, e sono presenti quattro elementi elastici 5a, 5b, 5c e 5d, che si estendono in maniera lineare rettilinea a partire da corrispondenti vertici della massa mobile 4, lungo il secondo asse orizzontale y. Sono inoltre presenti due elementi di ancoraggio 6a, 6b, disposti da parte opposta della massa mobile 4 rispetto al secondo asse orizzontale y, a ciascuno dei quali sono collegati due rispettivi elementi elastici 5; gli elementi di ancoraggio 6a, 6b presentano ad esempio, nel piano xy, una forma rettangolare con un’estensione lungo il primo asse orizzontale x maggiore della corrispondente estensione della massa mobile 4. Gli ancoraggi possono in ogni caso essere di varia forma e numero, compatibilmente con le esigenze di realizzazione tecnologica e con le esigenze di stabilità meccanica della struttura. Si noti in particolare che la struttura MEMS risonante 1 presenta, nella forma di realizzazione illustrata, una configurazione, relativamente al piano xy, simmetrica rispetto al centro O della massa mobile 4.
La massa mobile 4, come illustrato schematicamente nel dettaglio di figura 1a, à ̈ inoltre attraversata da una pluralità di fori passanti 9, ad esempio disposti in un reticolo regolare ad una distanza fissa gli uni dagli altri. Vantaggiosamente, i fori passanti 9 consentono, durante il processo di fabbricazione della struttura, il rilascio della massa mobile 4, mediante l’attacco chimico di uno strato sacrificale sottostante (ad esempio di ossido di silicio).
La struttura MEMS risonante 1 può infatti essere realizzata con il processo di fabbricazione noto come “processo THELMA†(si veda ad esempio il documento: D. Galayko, A. Kaiser, B. Legrand, L. Buchaillot, C. Combi, D. Collard “Clamped-Clamped Beam Micro-Mechanical Resonators in Thick-Film Epitaxial Polysilicon Technology†, ESSDERC 2002, European solid-state circuits conference, Firenze, pp. 447-450), che prevede la realizzazione di strutture MEMS in spessi strati di polisilicio epitassiale, in generale mediante le fasi successive di: formazione di elettrodi e piste conduttive, tra di loro elettricamente isolati, al di sopra di un substrato di silicio; crescita di uno strato scarificale (di ossido di silicio) al di sopra del substrato; attacco chimico per la definizione di aperture nell’ossido sacrificale, in corrispondenza delle zone in cui si desidera formare elementi di ancoraggio al substrato; crescita di uno strato epitassiale, nuovamente di silicio; attacco chimico profondo del silicio (cosiddetto “deep silicon etching†) per la definizione degli elementi, mobili e fissi, della struttura MEMS; e rimozione dello strato sacrificale mediante attacco chimico attraverso fori passanti precedentemente predisposti attraverso lo strato epitassiale, per il rilascio degli elementi mobili della struttura MEMS.
Un possibile dimensionamento della struttura, finalizzato ad ottenere una frequenza di risonanza pari a 32,768 kHz, prevede ad esempio che la massa mobile 4 presenti lato pari a 229 Î1⁄4m, e gli elementi elastici 5 abbiano un’estensione in lunghezza lungo il secondo asse orizzontale y pari a 472 Î1⁄4m; inoltre, gli stessi elementi elastici 5 presentano, nell’esempio, un’estensione in larghezza lungo il primo asse orizzontale x pari a 4 Î1⁄4m (dunque sensibilmente inferiore rispetto alla relativa lunghezza), e spessore (lungo l’asse ortogonale z) sostanzialmente coincidente con lo spessore della massa mobile 4 (essendo realizzati, durante il processo di fabbricazione, mediante la definizione dello stesso strato strutturale di materiale, in particolare silicio). Inoltre, i fori passanti 9 presentano ad esempio lato di 5 Î1⁄4m e sono tra loro distanziati di 4 Î1⁄4m; si noti a questo riguardo che le dimensioni e l’interspazio dei fori passanti 9 influenzano la massa efficace della massa mobile 4 e quindi la frequenza di risonanza.
La struttura MEMS risonante 1 comprende inoltre un elettrodo fisso 8, disposto sulla superficie superiore 2a del substrato 2 (con l’eventuale interposizione di uno strato di isolamento, ad esempio di ossido di silicio, qui non illustrato), in corrispondenza ed al di sotto della massa mobile 4, in modo da essere ad essa affacciato a formare un condensatore di rilevamento (in configurazione “parallel plate†). In particolare, l’elettrodo fisso 8 e la massa mobile 4 sono separati lungo l’asse ortogonale z da un gap (d’aria), indicato con d in figura 1b, ad esempio pari a 0,8 Î1⁄4m.
Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 1a, 1b, l’elettrodo fisso 8 presenta inoltre nel piano xy una forma sostanzialmente quadrata, con dimensioni maggiori delle, o (in maniera non illustrata) uguali o inferiori alle, corrispondenti dimensioni della massa mobile 4 (à ̈ evidente tuttavia che altre forme possono essere previste per tale elettrodo fisso, come sarà anche illustrato in seguito).
In uso, tra la massa mobile 4 e l’elettrodo fisso 8 viene applicata un’opportuna tensione di polarizzazione (in particolare una tensione alternata, ad una frequenza prossima alla frequenza naturale di risonanza della struttura micromeccanica); ad esempio, la massa mobile 4 viene polarizzata ad una tensione di polarizzazione Vp, mentre l’elettrodo fisso 8 viene polarizzato ad una tensione di riferimento, in modo da creare un’opportuna forza elettrostatica. La massa mobile 4 viene così portata in oscillazione alla sua frequenza naturale di risonanza, e la sua oscillazione provoca una corrispondente variazione della capacità del condensatore che essa forma con l’elettrodo fisso 8; tale variazione capacitiva viene rilevata ed elaborata dall’associato circuito elettronico (ASIC) per la generazione della frequenza di clock desiderata (si noti che la massa mobile 4 e l’elettrodo fisso 8 fungono da elettrodi sia di azionamento che di rilevamento nella struttura MEMS risonante 1).
La disposizione e la configurazione degli elementi di vincolo della massa mobile 4 rispetto al substrato 2 (comprendendo in tale definizione gli elementi elastici 5 e gli elementi di ancoraggio 6) fa sì che la massa mobile 4 si muova, durante la sua oscillazione alla frequenza di risonanza, in direzione trasversale al substrato 2 (in particolare lungo l’asse ortogonale z), mantenendosi costantemente parallela alla superficie superiore 2a dello stesso substrato 2 (senza cioà ̈ subire deformazioni). Un’appropriata progettazione di tali elementi di vincolo consente inoltre di garantire che i modi di vibrazione all’interno del piano xy siano sufficientemente distanti dal modo di vibrazione utile in direzione perpendicolare al substrato 2 lungo l’asse ortogonale z, evitando il rischio di interferenze che potrebbero compromettere le prestazioni elettriche della struttura.
In particolare, la frequenza di risonanza f0della struttura MEMS risonante 1 Ã ̈ data dalla seguente espressione:
keq
f<0>=<1>× (2)
2Ï€ meq
dove keqà ̈ la costante elastica equivalente della struttura risonante e meqla massa equivalente della massa mobile 4.
Pertanto, fissata la geometria della massa mobile 4 (in termini delle sue dimensioni e delle dimensioni dei fori passanti 9 che la attraversano), e dunque la sua massa equivalente meq, il valore desiderato della frequenza di risonanza f0à ̈ ottenuto dimensionando opportunamente gli elementi elastici 5, ed in particolare la loro lunghezza e larghezza (a parità di spessore), per ottenere il valore della costante elastica keqcorrispondente alla frequenza di risonanza desiderata. Inoltre, un opportuno design degli elementi di vincolo, che li renda ad esempio più o meno rigidi, può consentire di aumentare o diminuire le dimensioni della massa mobile 4, pur mantenendo fissa la frequenza operativa (la possibilità di scegliere all’interno di un range di costanti elastiche e, conseguentemente, di dimensioni della massa mobile 4 aggiunge dunque un grado di flessibilità nella progettazione della struttura, agevolando il raggiungimento delle prestazioni elettromeccaniche desiderate).
La particolare configurazione della struttura di vibrazione consente dunque vantaggiosamente di usufruire del ridotto valore del gap verticale (d) che à ̈ possibile ottenere tra la massa mobile 4 e l’elettrodo fisso 8 posto sul substrato 2, con processi di fabbricazione noti (ad esempio il succitato processo THELMA). Il valore di questo gap verticale à ̈ sensibilmente inferiore, ed inoltre più facilmente controllabile, rispetto a corrispondenti gap laterali ottenibili con tecniche di fotolitografia tradizionali (che contraddistinguono i noti risonatori MEMS di tipo laterale). Ciò comporta un duplice vantaggio: da un lato, l’elevata controllabilità del gap verticale aumenta la riproducibilità delle caratteristiche elettromeccaniche della struttura MEMS risonante 1 (e del relativo dispositivo risonante) su larga scala; dall’altro, la riduzione del gap consente di ottenere (si faccia riferimento alla discussione precedente) una riduzione della resistenza mozionale della struttura micromeccanica, permettendo anche di ottenere un elevato coefficiente di “tunability†.
A questo riguardo, si può dimostrare che il coefficiente di tunability, che descrive l’entità della variazione Δf della frequenza di risonanza f0al variare della tensione di polarizzazione Vpapplicata, à ̈ dato da:
Δf ε
= 0 ×A
3× 2
<V>P (3)
f0 keq ×d
Tanto più à ̈ elevato tale coefficiente, tanto più risulta agevole, anche con minime variazioni del valore della tensione di polarizzazione VP, variare la frequenza di risonanza f0della struttura MEMS risonante 1. Nella struttura descritta, un elevato valore del suddetto coefficiente Δf/f0à ̈ garantito dall’ampia area A di accoppiamento capacitivo tra la massa mobile 4 e l’elettrodo fisso 8, e dal ridotto gap d che li separa lungo l’asse ortogonale z (in particolare, si noti che l’area di affaccio A risulta molto maggiore rispetto a soluzioni di affaccio laterale, in cui una delle due dimensioni delle superfici di accoppiamento à ̈ forzatamente limitata dallo spessore della massa mobile e degli associati elettrodi, dell’ordine di pochi Î1⁄4m o al più della decina di Î1⁄4m). Pertanto, risulta possibile correggere efficacemente con piccole modifiche della tensione di polarizzazione VP(e quindi con un ridotto consumo energetico) sia gli shift di frequenza nativa che gli shift della frequenza di risonanza al variare della temperatura.
Questo aspetto à ̈ ulteriormente enfatizzato dal fatto che, come la presente richiedente ha potuto dimostrare mediante simulazioni agli elementi finiti, la configurazione descritta per la struttura MEMS risonante 1 (ed in particolare per i relativi elementi di vincolo) fa sì che la massa mobile 4, vibrando, resti costantemente parallela al substrato 2, mantenendo ideali le condizioni di accoppiamento capacitivo con l’associato elettrodo fisso 8; al contrario, à ̈ noto che in altre configurazioni, a gap laterale, à ̈ comune durante la vibrazione il verificarsi di una deformazione della geometria della massa mobile, nella zona di interazione capacitiva con la corrispondente struttura di elettrodo fisso.
Possono in ogni caso essere previste varianti per quanto riguarda la configurazione degli elementi di vincolo associati alla massa mobile 4, in termini ad esempio della forma, del numero e della disposizione degli elementi elastici 5 e degli elementi di ancoraggio 6; inoltre, possono essere previste varianti di forma per la stessa massa mobile 4.
Ad esempio, come illustrato in figura 2, gli elementi elastici 5 possono essere del tipo ripiegato (“folded†), in tal modo consentendo un risparmio di area per il raggiungimento di uno stesso valore della costante equivalente keq; inoltre l’utilizzo di elementi elastici del tipo ripiegato, anziché lineare o rettilineo, consente di ridurre l’imbarcamento dovuto allo stress residuo, inevitabilmente presente nella fetta di silicio, che rischierebbe, qualora eccessivo, di compromettere la funzionalità delle strutture microelettromeccaniche. È stato verificato che l’uso di elementi elastici del tipo ripiegato garantisce che l’effetto di valori tipici di stress da rilascio (da 5 MPa a 10 MPa) sulla frequenza operativa sia trascurabile (dell’ordine di pochi Hz); al contrario, à ̈ stato verificato (mediante simulazioni ad elementi finiti) che corrispondenti strutture con elementi elastici lineari possono talvolta presentare variazioni anche dell’ordine del kHz in presenza degli stessi valori tipici di stress da rilascio.
In particolare, sono nuovamente presenti quattro elementi elastici 5a-5d che si estendono a partire dai vertici della massa mobile 4, raggiungendo, a coppie, uno stesso elemento di ancoraggio 6. In questo caso, gli elementi di ancoraggio 6a, 6b (nuovamente in numero pari a due e disposti da parti opposte della massa mobile 4 rispetto al secondo asse orizzontale y) sono inoltre disposti centralmente rispetto alla massa mobile 4 (lungo un suo asse di simmetria orizzontale), presentando forma quadrata (nel piano xy) e dimensioni minori della stessa massa mobile (si noti tuttavia, a questo riguardo, che le dimensioni delle regioni di ancoraggio non influenzano direttamente le caratteristiche di risonanza della struttura). Nuovamente, anche in questa forma di realizzazione, la struttura MEMS risonante 1 risulta simmetrica nel piano xy rispetto al centro O della massa mobile 4.
In maggior dettaglio, nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, ciascuno degli elementi elastici 5 presenta porzioni rettilinee disposte a due a due ad angolo retto (ed estendentisi lungo il primo o il secondo asse orizzontale x, y), a formare le ripiegature degli stessi elementi elastici, ed in particolare: una prima porzione A, collegata ad un rispettivo vertice della massa mobile 4 ed estendentesi lungo il secondo asse orizzontale y, con estensione ad esempio pari a 15 Î1⁄4m; una seconda porzione B, estendentesi lungo il primo asse orizzontale x a partire dall’estremità della prima porzione A non collegata alla massa mobile 4, verso l’esterno della stessa massa mobile (allontanandosi da essa), con estensione ad esempio pari a 78 Î1⁄4m; una terza porzione C, estendentesi lungo il secondo asse orizzontale y a partire dalla seconda porzione B ad allontanarsi dalla massa mobile 4, con estensione ad esempio pari a 15 Î1⁄4m; ed una quarta porzione D, estendentesi lungo il primo asse orizzontale x verso il centro della massa mobile 4, a partire dalla terza porzione C fino a collegarsi ad un rispettivo elemento di ancoraggio 6, con un’estensione ad esempio pari a 258 Î1⁄4m. Nell’esempio illustrato in figura 2, la massa mobile 4 presenta inoltre lato pari a 454 Î1⁄4m, ed inoltre la larghezza dei vari elementi elastici 5 à ̈ pari a 5 Î1⁄4m.
In uso, nuovamente, la configurazione degli elementi di vincolo accoppiati meccanicamente alla massa mobile 4 à ̈ tale per cui la stessa massa mobile 4 oscilli in risonanza lungo l’asse ortogonale z, senza deformarsi e mantenendosi dunque sostanzialmente parallela alla superficie superiore 2a del substrato 2, durante il suo movimento. Inoltre, l’opportuno dimensionamento degli elementi elastici 5 e della massa mobile 4 consente di ottenere un valore desiderato per la frequenza di risonanza f0, ad esempio pari a 32,768 kHz nel caso di applicazioni di real time clock.
Come mostrato in figura 3, à ̈ possibile ottenere un ulteriore risparmio nelle dimensioni della struttura MEMS risonante 1, utilizzando una massa mobile 4 di dimensioni laterali inferiori ed elementi elastici più lunghi (ma convenientemente ripiegati un numero maggiore di volte). In tal caso, ciascuno degli elementi elastici 5 comprende ulteriormente: una quinta porzione E, estendentesi lungo il secondo asse orizzontale y a partire dalla quarta porzione D, con estensione ad esempio pari a 15 Î1⁄4m; ed una sesta porzione F, estendentesi lungo il primo asse orizzontale x a partire dalla quinta porzione E fino a collegarsi al rispettivo elemento di ancoraggio 6, con estensione pari a 251 Î1⁄4m. In questo caso, la seconda porzione B presenta un’estensione pari a 105 Î1⁄4m, e si estende internamente rispetto alla massa mobile 4 (verso il relativo centro O), anziché esternamente ad essa; inoltre, la quarta porzione D si estende esternamente rispetto alla massa mobile 4 per un’estensione pari a 251 Î1⁄4m. In questa forma di realizzazione, la massa mobile 4 presenta inoltre lato pari a 229 Î1⁄4m, e la larghezza dei vari elementi elastici 5 à ̈ pari a 4 Î1⁄4m.
In una ulteriore forma di realizzazione, mostrata in figura 4, sono invece previsti solamente due elementi elastici 5, in particolare, gli elementi elastici precedentemente indicati con 5b e 5d, realizzati come precedentemente descritto con riferimento alla figura 3.
La forma di realizzazione mostrata in figura 5 prevede invece l’utilizzo di due ulteriori elementi di ancoraggio 6 (indicati con 6c, 6d), disposti da parti opposte della massa mobile 4 rispetto al primo asse orizzontale x, centralmente rispetto ad essa. In tal caso, sono nuovamente previsti quattro elementi elastici 5, ciascuno del tipo ripiegato (come descritto con riferimento alla figura 3) ed estendentesi a partire da un rispettivo vertice della massa mobile 4 fino a collegarsi ad un rispettivo elemento di ancoraggio 6 (in particolare, si noti che in tal caso le prime porzioni A dei vari elementi elastici 5a-5d si estendono in direzioni a due a due ortogonali, lungo il primo o secondo asse orizzontale x, y).
Ancora una ulteriore forma di realizzazione, mostrata in figura 6, prevede una differente forma per la massa mobile 4, che nel piano xy presenta in questo caso una forma circolare.
In tale forma di realizzazione, sono nuovamente previsti quattro elementi elastici 5a-5d e quattro rispettivi elementi di ancoraggio 6a-6d. Gli elementi di ancoraggio 6a-6d sono disposti centralmente rispetto alla massa mobile 4, a due a due allineati lungo il primo o il secondo asse orizzontale x, y; gli elementi elastici 5a-5d, nuovamente del tipo ripiegato, presentano una disposizione simmetrica rispetto agli assi orizzontali x, y e si estendono a partire dalla massa mobile 4 verso un rispettivo elemento di ancoraggio 6a-6d.
La struttura MEMS risonante 1 può dunque vantaggiosamente sostituire le tradizionali strutture risonanti al quarzo nei circuiti oscillatori, ad esempio per applicazioni RTC.
A questo riguardo, in figura 7 viene mostrato un circuito oscillatore, indicato nel suo insieme con 10, avente un’architettura di tipo noto, cosiddetta di Pierce (dal nome del suo inventore); la struttura MEMS risonante 1 à ̈ mostrata in figura 7 mediante il modello elettrico equivalente, costituito dalla serie di una capacità mozionale Cm, di un’induttanza mozionale Lme di una resistenza mozionale Rm, in parallelo con una capacità di accoppiamento Cs, dovuta all’accoppiamento elettrostatico tra la massa mobile 4 e l’elettrodo fisso 8. La struttura MEMS risonante 1 à ̈ collegata tra i terminali di gate e di drain di un transistore MOS 12, avente terminale di source collegato ad un terminale di riferimento (terminale di massa). Il terminale di drain del transistore MOS 12 à ̈ inoltre collegato ad un generatore di corrente 14 (del tipo a specchio di corrente, come illustrato ma non descritto in dettaglio); un primo condensatore di carico 15 à ̈ collegato tra il terminale di gate del transistore MOS 12 ed il terminale di riferimento, mentre un secondo condensatore di carico 16 à ̈ collegato tra il terminale di drain dello stesso transistore ed il terminale di riferimento. Inoltre, un resistore di polarizzazione 18 à ̈ collegato in parallelo alla struttura MEMS risonante 1, tra i terminali di drain e di gate del transistore MOS 12.
Il funzionamento del circuito oscillatore 10, di tipo per sé noto, non viene qui descritto in dettaglio; si faccia tuttavia riferimento al documento E. A. Vittoz, M. Degrauwe, S. Bitz “High-performance crystal oscillator circuits: theory and application.†, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, no.
3, Giugno 1988, pp.774-783 per ulteriori informazioni a riguardo.
Un ulteriore aspetto della presente invenzione prevede di modificare la struttura MEMS risonante 1 al fine di migliorarne ulteriormente le caratteristiche di “tunability†, per la regolazione della frequenza di risonanza in compensazione di spread di processo e shift in temperatura.
La presente richiedente ha infatti constatato che l’approccio tradizionale per realizzare tale regolazione, che prevede, come precedentemente discusso, la variazione del valore della tensione di polarizzazione Vpapplicata tra la massa mobile 4 e l’elettrodo fisso 8, può non essere del tutto soddisfacente, a causa del fatto che una variazione della tensione di polarizzazione Vpcomporta anche una variazione della resistenza mozionale Rm(si veda la discussione precedente ed in particolare l’espressione (1), da cui si evince il legame tra tensione di polarizzazione Vped il valore della resistenza mozionale Rm). Per compensare la variazione di resistenza mozionale al variare della temperatura e, di conseguenza, di corrente mozionale in uscita dalla struttura MEMS risonante 1 a parità di tensione di pilotaggio, può in tal caso essere necessaria l’introduzione di uno stadio per il controllo del guadagno dell’anello, atto a compensare le perdite, con un conseguente dispendio aggiuntivo di energia.
Per risolvere tale inconveniente, nella struttura MEMS risonante 1 vengono dunque introdotti ulteriori elettrodi fissi, dedicati all’operazione di regolazione della frequenza di risonanza, e per questo definiti nel seguito elettrodi di regolazione; tali elettrodi di regolazione vengono polarizzati con un potenziale variabile tra 0 e Vp(Vpessendo il valore della tensione di polarizzazione applicata alla massa mobile 4), mentre lo stato di polarizzazione della massa mobile 4 rispetto all’elettrodo fisso 8 viene mantenuto costante.
Una possibile forma di realizzazione viene mostrata nelle figure 8a e 8b; l’elettrodo fisso 8 presenta in tal caso dimensioni ridotte rispetto alla struttura illustrata nelle figure 1a e 1b, ed in particolare inferiori a quelle della massa mobile 4, ad esso sovrapposta. La struttura MEMS risonante 1 comprende in tal caso due elettrodi di regolazione 20a, 20b, disposti sulla superficie superiore 2a del substrato 2, lateralmente rispetto all’elettrodo fisso 8 (rispetto al secondo asse orizzontale y), in modo tale da essere almeno in parte situati al di sotto della massa mobile 4. Gli elettrodi di regolazione 20a, 20b presentano, nel piano xy, una forma rettangolare, allungata lungo il primo asse orizzontale x, ad esempio con estensione maggiore della corrispondente estensione della massa mobile 4.
In particolare, agli elettrodi di regolazione 20a, 20b viene applicata una tensione di valore variabile tra 0 e Vp, in funzione della variazione della frequenza di risonanza f0che si desidera compensare, in modo da variare la forza elettrostatica risultante agente sulla struttura meccanica. In tal modo, risulta possibile regolare finemente il valore della frequenza di risonanza f0, ed al contempo mantenere costante la differenza di potenziale tra la massa mobile 4 e l’elettrodo fisso 8, mantenendo così costante la relativa resistenza mozionale. In altre parole, la soluzione descritta consente di ottenere una completa separazione tra gli elementi di azionamento/rilevamento (massa mobile 4 ed elettrodo fisso 8) e gli elementi di regolazione della frequenza di risonanza (elettrodi di regolazione 20a, 20b).
I vantaggi della struttura MEMS risonante 1 emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si sottolinea nuovamente che la struttura proposta, a vibrazione verticale, consente di ottenere un gap tra la massa mobile e l’associata struttura di elettrodo fisso di valore ridotto e controllabile, in tal modo migliorando le caratteristiche elettromeccaniche della struttura MEMS risonante (in particolar modo in termini della sua riproducibilità su larga scala, della riduzione dei consumi, e della migliorata “tunability†del valore della frequenza di risonanza).
Inoltre, l’utilizzo di elementi di regolazione della frequenza di risonanza dedicati (distinti dagli elementi di azionamento e di rilevamento) consente di migliorare ulteriormente le caratteristiche di “tunability†della struttura MEMS risonante.
L’utilizzo del silicio come materiale strutturale per la realizzazione della struttura MEMS risonante à ̈ inoltre vantaggioso, in quanto tale struttura, non includendo materiali eterogenei rispetto al silicio: risente in minor misura dello stress termico in occasioni di variazioni di temperatura; presenta uno stress da rilascio meglio prevedibile e controllabile rispetto a strutture con due o più materiali eterogenei a contatto; resiste meglio in condizioni di elevata pressione e/o umidità.
L’impiego del processo THELMA per la realizzazione della struttura MEMS risonante risulta vantaggioso, in quanto garantisce costi di fabbricazione notevolmente inferiori rispetto ad altri procedimenti di fabbricazione noti. In particolare, grazie al processo THELMA standard à ̈ possibile avere contemporaneamente elevate proprietà meccaniche delle strutture microlavorate ed un ottimo controllo del gap verticale.
Inoltre, la simmetria della struttura MEMS risonante 1 può vantaggiosamente migliorarne la linearità.
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, come precedentemente evidenziato, la forma, la disposizione e la configurazione degli elementi elastici e degli elementi di ancoraggio associati alla massa mobile (nonché la forma e disposizione della stessa massa mobile) possono variare rispetto a quanto illustrato, a condizione che tali elementi di vincolo siano comunque complessivamente configurati in modo da far sì che la massa mobile oscilli verticalmente in direzione trasversale rispetto al substrato.
Inoltre, ancora una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, mostrata nelle figure 9a e 9b, prevede l’impiego di elettrodi di azionamento e di rilevamento distinti. In particolare, l’elettrodo fisso 8, posto al di sotto della massa mobile 4, centralmente rispetto ad essa, ha in tal caso solamente una funzione di azionamento; sono invece previsti due ulteriori elettrodi di rilevamento 22a, 22b disposti al di sopra del substrato 2 ed al di sotto della massa mobile 4, lateralmente e da parte opposta dell’elettrodo fisso 8 rispetto al secondo asse orizzontale y, aventi la funzione di rilevare le oscillazioni della massa mobile 4 alla frequenza di risonanza. Anche in questo caso, sono presenti gli elettrodi di regolazione 20a, 20b, polarizzati ad una opportuna tensione di regolazione (compresa tra 0 e VP). Si noti che le dimensioni degli elettrodi di regolazione 20a, 20b e dell’elettrodo fisso 8 sono, in tale forma di realizzazione, differenti rispetto a quanto illustrato nelle figure 8a, 8b (senza che ciò implichi una differente funzionalità degli stessi).
Tale soluzione, che consente di disaccoppiare gli elementi di azionamento da quelli di rilevamento, risulta vantaggiosa dal punto di vista dell’integrazione della circuiteria elettronica associata alla struttura microelettromeccanica, dato che consente di evitare uno stadio di disaccoppiamento (costituito da capacità e resistenze) altrimenti necessario (dato che la massa mobile 4 deve essere polarizzata ad un’alta tensione in continua, la tensione di polarizzazione VP, e deve contemporaneamente essere pilotata in corrente alternata per chiudere l’anello di rilevamento).
Inoltre, à ̈ chiaro che la struttura risonante descritta può vantaggiosamente essere utilizzata in ulteriori applicazioni, ad esempio in oscillatori di riferimento per alta frequenza.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Struttura MEMS risonante (1), comprendente: un substrato (2) di materiale semiconduttore; una massa mobile (4) sospesa al di sopra di detto substrato (2) ed ancorata a detto substrato (2) mediante elementi di vincolo (5, 6), in modo tale da essere libera di oscillare ad una frequenza di risonanza (f0); ed una struttura di elettrodo fisso (8; 22a, 22b) disposta in modo tale da essere accoppiata capacitivamente a detta massa mobile (4) a formare un condensatore con capacità variabile in funzione dell’oscillazione di detta massa mobile (4), caratterizzata dal fatto che detta struttura di elettrodo fisso (8; 22a, 22b) à ̈ disposta su una superficie superiore (2a) di detto substrato (2), e detti elementi di vincolo (5, 6) sono configurati in modo tale che detta massa mobile (4) oscilli, in uso, lungo una direzione verticale (z), trasversale a detta superficie superiore (2a) di detto substrato (2).
  2. 2. Struttura secondo la rivendicazione 1, in cui detta direzione verticale à ̈ ortogonale a detta superficie superiore (2a) di detto substrato (2).
  3. 3. Struttura secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta massa mobile (4) presenta un’estensione sostanzialmente planare in un piano orizzontale (xy); ed in cui detti elementi di vincolo (5, 6) sono configurati in modo tale che detta massa mobile (4) oscilli, in uso, mantenendosi sostanzialmente parallela a detta superficie superiore (2a) di detto substrato (2).
  4. 4. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi di vincolo (5, 6) comprendono elementi di ancoraggio (6) fissi a detto substrato (2), ed elementi elastici (5) estendentisi da detta massa mobile (4) a detti elementi di ancoraggio (6); detti elementi elastici (6) essendo cedevoli lungo detta direzione verticale (z).
  5. 5. Struttura secondo la rivendicazione 4, in cui detta massa mobile (4) presenta un’estensione sostanzialmente planare in un piano orizzontale (xy) definito da un primo (x) e da un secondo (y) asse orizzontale; ed in cui detti elementi di ancoraggio (6) comprendono almeno un primo (6a) ed un secondo (6b) elemento di ancoraggio, disposti da parte opposta di detta massa mobile (4) rispetto a detto primo (x), o secondo (y), asse orizzontale.
  6. 6. Struttura secondo la rivendicazione 5, in cui detti primo (6a) e secondo (6b) elemento di ancoraggio sono disposti centralmente, ed esternamente, rispetto a detta massa mobile (4).
  7. 7. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-6, in cui detti elementi elastici (5) sono del tipo ripiegato (“folded†).
  8. 8. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-7, in cui detti elementi elastici (5) si estendono a partire da rispettivi vertici di detta massa mobile (4) e si collegano, a coppie, ad un rispettivo di detti elementi di ancoraggio (6).
  9. 9. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre elettrodi di regolazione (20a, 20b) disposti su detta superficie superiore (2a) di detto substrato (2) ed accoppiati capacitivamente a detta massa mobile (4); detti elettrodi di regolazione (20a, 20b) essendo atti a ricevere una tensione di regolazione tale da variare una forza elettrostatica agente su detta massa mobile (4), e di conseguenza il valore di detta frequenza di risonanza (f0).
  10. 10. Struttura secondo la rivendicazione 9, in cui detta struttura di elettrodo fisso (8; 20a, 20b) comprende un elettrodo di azionamento (8) disposto su detta superficie superiore (2a) di detto substrato (2) al di sotto di detta massa mobile (4), e detti elettrodi di regolazione (20a, 20b) sono disposti lateralmente a detto elettrodo di azionamento (8), almeno parzialmente al di sotto di detta massa mobile (4); ed in cui tra detto elettrodo di azionamento (8) e detta massa mobile (4) Ã ̈ destinata ad essere applicata una tensione di polarizzazione (Vp) di ampiezza sostanzialmente costante.
  11. 11. Struttura secondo la rivendicazione 10, in cui il valore di detta tensione di regolazione à ̈ variabile tra un valore nullo ed il valore di detta tensione di polarizzazione (Vp), in funzione di uno spostamento del valore di detta frequenza di risonanza (f0) dovuto a spread di processo e/o variazioni di temperatura.
  12. 12. Struttura secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui detta struttura di elettrodo fisso (8; 22a, 22b) comprende inoltre un primo (22a) ed un secondo (22b) elettrodo di rilevamento, disposti su detta superficie superiore (2a) di detto substrato (2) al di sotto di detta massa mobile (4), lateralmente e da parte opposta di detto elettrodo di azionamento (8); detti primo e secondo elettrodo di rilevamento (22a, 22b) essendo atti a formare con detta massa mobile (4) un condensatore a capacità variabile in funzione dell’oscillazione di detta massa mobile (4).
  13. 13. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta frequenza di risonanza (f0) à ̈ una frequenza per orologio in tempo reale (“real time clock†).
  14. 14. Circuito oscillatore (10), comprendente la struttura MEMS risonante (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed uno stadio di polarizzazione (14) di detta massa mobile (4) e di detta struttura di elettrodo fisso (8).
  15. 15. Circuito secondo la rivendicazione 14, comprendente inoltre uno stadio di elaborazione (12, 15, 16, 18) accoppiato operativamente a detta struttura MEMS risonante (1) per elaborare detta frequenza di risonanza a partire dalla variazione di detta capacità.
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