ITTO20090973A1 - Magnetometro triassiale integrato di materiale semiconduttore realizzato in tecnologia mems - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “MAGNETOMETRO TRIASSIALE INTEGRATO DI MATERIALE SEMICONDUTTORE REALIZZATO IN TECNOLOGIA MEMS”

La presente invenzione è relativa ad un magnetometro MEMS integrato di materiale semiconduttore realizzato in tecnologia MEMS.

Come è noto, i magnetometri sono dispositivi che consentono la misura di campi magnetici esterni, ad esempio del campo magnetico terrestre.

I magnetometri noti appartengono a due categorie: i magnetometri scalari, in grado di misurare solamente il modulo del campo magnetico; e i magnetometri vettoriali, in grado di misurare le componenti del campo magnetico lungo tre assi nello spazio.

I magnetometri noti lavorano secondo differenti principi. I magnetometri più antichi sono le bussole ad ago, in cui un ago di materiale magnetizzato è in grado di orientarsi parallelamente al campo magnetico. Sono inoltre noti magnetometri a bobina, che misurano il campo magnetico esterno sfruttando l'induzione elettromagnetica in una bobina; sensori a effetto Hall, basati sulla misura della tensione elettrica esistente fra due terminali di una regione conduttrice percorsa da una corrente trasversale e immersa in un campo magnetico avente una componente verticale; magnetometri a protoni, che sfruttano il momento magnetico intrinseco dei protoni; e sensori magnetoresistivi che sfruttano la capacità di opportuni materiali ferromagnetici (chiamati materiali magnetoresistivi, ad esempio il materiale noto con il nome di "permalloy" costituito da una lega di Fe-Ni) di modificare la propria resistenza in presenza di un campo magnetico esterno.

I magnetometri noti presentano dimensioni considerevoli e/o richiedono processi di fabbricazione costosi che non ne consentono l'integrazione in dispositivi integrati o la cui integrazione è complessa e costosa.

D'altra parte, magnetometri di dimensioni ridotte e basso costo sono richiesti in diverse applicazioni, quali i sistemi di navigazione integrati in telefoni cellulari avanzati.

Scopo della presente invenzione è realizzare un magnetometro integrato che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un magnetometro triassiale, come definito nella rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra la forza di Lorentz agente su un conduttore percorso da corrente e immesso in un campo magnetico, utilizzata dal presente magnetometro;

- la figura 2 mostra una vista dall'alto semplificata di una forma di realizzazione del presente magnetometro;

- la figura 3 mostra una sezione trasversale del magnetometro di fig. 2 presa lungo il piano III-III;

- la figura 4 mostra una sezione trasversale del magnetometro di fig. 2 presa lungo il piano IV-IV;

- la figura 5 mostra la sezione trasversale di figura 4, in presenza di un campo magnetico esterno parallelo alla superficie del magnetometro;

- la figura 6 mostra una sezione trasversale del magnetometro di fig. 2 presa lungo il piano VI-VI in presenza dello stesso campo magnetico esterno di fig. 5; - la figura 7 mostra una sezione trasversale del magnetometro di fig. 2 presa lungo il piano VII-VII in presenza dello stesso campo magnetico esterno di fig. 5;

- figura 8 mostra una vista dall'alto semplificata del magnetometro di fig. 2, in presenza di un campo magnetico esterno perpendicolare alla superficie del magnetometro;

- la figura 9 mostra la direzione del campo in caso di oscillazione di una massa sospesa intorno ad un asse orizzontale;

- la figura 10 è una tabella relativa a coefficienti di moltiplicazione da utilizzare nel caso della fig. 9;

- le figure 11-17 mostrano ciascuna un solo quadrante di differenti forme di realizzazione del presente magnetometro; e

- la figura 18 mostra uno schema a blocchi di un apparecchio elettronico includente il presente magnetometro.

Il presente magnetometro triassiale sfrutta la legge di Lorentz agente su due conduttori costituiti da masse sospese realizzate in tecnologia MEMS.

Come è noto, la forza di Lorentz è la forza che agisce su un oggetto elettricamente carico che si muove in un campo magnetico ed è sempre diretta perpendicolarmente alla direzione di moto. Di conseguenza, dato che la corrente elettrica è costituita da un moto di cariche elettriche, in base alla legge di Lorentz un conduttore C avente lunghezza l, attraversato da una corrente I e immerso in un campo magnetico B (si veda la fig. 1), è soggetto a una forza F pari a:

F =I•l × B

entrante nel piano del disegno.

Nel presente magnetometro, tale forza viene rilevata mediante almeno due masse sospese su un substrato (con cui sono accoppiate capacitivamente) e percorse da rispettive correnti fluenti in due direzioni fra loro perpendicolari. Una delle due masse è collegata a elettrodi mobili affacciati a rispettivi elettrodi fissi. A seconda della direzione e del verso del campo magnetico esterno, le masse si muovono in avvicinamento o in allontanamento dal substrato, modificando la capacità di accoppiamento con questo, o in orizzontale, modificando la capacità di accoppiamento degli elettrodi mobili rispetto agli elettrodi fissi. La rilevazione di tali variazioni di capacità consente quindi di risalire al modulo e direzione del campo magnetico esterno.

Sfruttando questo principio, una forma di realizzazione di un magnetometro planare realizzato in tecnologia MEMS è mostrata in fig. 2 e comprende quattro masse sospese 1-4 disposte simmetricamente a due a due lungo due assi cartesiani X, Y e supportate ciascuna, attraverso rispettive coppie di molle 6, fra un ancoraggio centrale 7, comune a tutte le masse sospese 1-4, ed un proprio ancoraggio periferico 8. Le masse sospese 1-2 e 3-4 hanno qui forma rettangolare con lati maggiori diretti parallelamente all’asse X e, rispettivamente, all’asse Y. In generale, le masse sospese 1-4 hanno forma simmetrica rispetto a rispettivi assi mediani paralleli agli assi X e Y e sono disposte simmetricamente rispetto a tali assi. Due delle masse sospese, ad esempio le masse sospese 1 e 2 allineate lungo l'asse Y, portano due bracci sospesi 10 estendentisi da punti mediani dei lati lunghi delle masse sospese 1, 2. I bracci sospesi 10 si estendono perpendicolarmente ai lati lunghi delle masse sospese 1, 2, e quindi parallelamente all'asse X, e portano a loro volta elettrodi mobili 11 estendentisi perpendicolarmente al relativo braccio sospeso 10, e quindi parallelamente all'asse Y. Gli elettrodi mobili 11 sono affacciati a rispettivi elettrodi fissi 12 collegati reciprocamente mediante rispettivi bracci fissi 13.

Come mostrato nel particolare ingrandito di fig. 2, le molle 6 possono essere ad esempio del tipo ripiegato ("folded"). In questo caso, la struttura non è completamente simmetrica, dato che le estremità della molla giacciono su due differenti lati dell'asse di simmetria e non sono speculari.

Le figure 3 e 4 mostrano due sezioni trasversali del magnetometro di fig. 2, prese rispettivamente nel piano di simmetria lungo l'asse X, e quindi attraversante le masse sospese 3, 4 e lungo un piano IV-IV parallelo al precedente, e passante per i bracci sospesi 10 estendentisi dalla massa sospesa 1.

In dettaglio, il magnetometro è realizzato in una piastrina 15 includente un substrato 16 di silicio monocristallino sovrastato da uno strato di isolamento 17, ad esempio di ossido cresciuto termicamente, al di sopra del quale si estendono regioni conduttive 18, di silicio policristallino, includenti regioni di contatto e polarizzazione 18a (al di sotto degli ancoraggi 7, 8 e delle regioni fisse 12, 13), elettrodi inferiori 18b (al di sotto delle masse sospese 1-4) e linee di connessione elettrica non mostrate.

Ad esempio, in figura 3 sono visibili due elettrodi inferiori 18b disposti al di sotto delle masse sospese 3 e 4, mentre in figura 4 è visibile un elettrodo inferiore 18b estendentesi al di sotto della massa sospesa 1. Gli elettrodi inferiori 18b hanno area leggermente maggiore rispetto alle masse sospese 1-4, in modo che eventuali movimenti delle masse sospese 1-4 nel piano X-Y non comportano modifiche di capacità fra le masse sospese 1-4 stesse e i rispettivi elettrodi inferiori 18b, come discusso più in dettaglio in seguito. Alcune delle regioni di contatto e polarizzazione 18a sono in contatto elettrico con l'ancoraggio centrale 7 e con gli ancoraggi periferici 8, in modo da alimentare alle masse sospese 1-4 correnti I fluenti dai singoli ancoraggi periferici 8 verso l'ancoraggio centrale 7, come rappresentato in fig. 2. Inoltre una regione d'aria (″air gap″) 19 separa le regioni sospese (masse sospese 1-4, molle 6, bracci sospesi 10 e elettrodi mobili 11) dalle strutture sottostanti.

In fig. 3, sono inoltre rappresentati schematicamente componenti elettronici 20 integrati nella stessa piastrina 15 e adatti alla generazione delle grandezze di polarizzazione del magnetometro e all'elaborazione dei segnali forniti dal presente magnetometro.

Inoltre, in modo non mostrato, gli elettrodi fissi 12 e i bracci fissi 13 solo collegati ai componenti elettronici 20 almeno in parte tramite regioni conduttive 18 non mostrate, analoghe alle regioni conduttive 18a, 18b visibili nelle figure 3 e 4.

Il magnetometro mostrato ha dimensioni tipiche variabili fra 0,6x0,6 mm e 3x3 mm, e quindi può essere facilmente montato in dispositivi portatili, quali cellulari, PDA e simili.

Il magnetometro delle figure 2-4 può essere realizzato utilizzando le tecnologie in uso per la fabbricazione di dispositivi MEMS. Ad esempio, la struttura illustrata può essere realizzata deponendo, sul substrato 16 monocristallino, lo strato isolante 17 che può essere rimosso nella zona dove si vogliono realizzare i componenti elettronici 20 (zona della circuiteria) o essere utilizzato come ossido di gate di transistori MOS. Viene deposto uno strato policristallino, che viene quindi sagomato, in modo da ottenere le regioni conduttive 18, includenti le regioni di contatto e polarizzazione 18a, gli elettrodi inferiori 18b e linee di connessione elettrica non mostrate. Lo strato policristallino può essere rimosso nella zona della circuiteria o formare le regioni di porta di transistori MOS. Quindi viene deposto uno strato sacrificale, ad esempio di ossido di silicio, e, dopo la deposizione di uno strato policristallino di germe, viene cresciuto epitassialmente uno strato strutturale di silicio policristallino. In questa fase, la zona della circuiteria (dove devono essere realizzati i componenti elettronici 20) può essere protetta, o, previa rimozione dello strato sacrificale, può essere accresciuta epitassialmente. Con particolari accorgimenti, in questa zona lo strato strutturale può essere monocristallino, in modo da consentire l'integrazione dei componenti elettronici 20 nello stesso strato epitassiale formante lo strato strutturale, senza difetti.

Quindi, lo strato strutturale viene mascherato e definito fotolitograficamente, in modo da ottenere la configurazione desiderata per le regioni sospese. Infine viene rimosso lo strato sacrificale.

La circuiteria può essere integrata prima della definizione delle strutture sospese.

Il magnetometro delle figure 2-4 opera come segue. Si supponga che il magnetometro sia immerso in un campo magnetico B1 diretto parallelamente e nello stesso verso dell'asse X (si vedano le fig. 5 e 6, relative alla sezione trasversale di fig. 2 e ad una sezione trasversale parallela alla precedente e attraversante la massa sospesa 2, rispettivamente) e che le masse sospese 1-4 siano percorse dalle correnti I dirette verso l'ancoraggio centrale 7, come da fig. 2.

In questa situazione, si vedano le figg. 5-7, per effetto della legge di Lorentz, una forza F1 agisce sulla massa sospesa 1 muovendola in allontanamento dal substrato 16 (verso l'osservatore, nella vista dall'alto di fig. 2) e una forza F2 agisce sulla massa sospesa 2 muovendola in avvicinamento al substrato 16 (in allontanamento dall'osservatore, nella vista dall'alto di fig. 2). Ne consegue che la capacità esistente fra la massa sospesa 1 e il rispettivo elettrodo inferiore 18b diminuisce, mentre aumenta la capacità esistente fra la massa sospesa 2 e il rispettivo elettrodo inferiore 18b.

Ovviamente, nel caso in cui il campo magnetico B1 abbia verso opposto, la massa sospesa 1 si avvicina al substrato 16 e la massa sospesa 2 si allontana da esso, con opposta variazione di capacità.

In entrambi i casi, le variazioni di capacità possono essere rilevate da un apposito circuito di lettura realizzato con i componenti elettronici 20, in grado di calcolare inoltre il modulo e la direzione del campo magnetico B1 dalle variazioni di capacità rilevate.

Le masse sospese 3 e 4 non sono invece influenzate da alcuna forza, dato che la corrente I che fluisce attraverso di essi è parallela al campo magnetico B.

Viceversa, con un campo magnetico B2 diretto parallelamente e nello stesso verso dell'asse Y, le masse sospese 1 e 2 non sentono alcuna forza (la loro corrente I è parallela al campo magnetico B), e le masse 3 e 4 subiscono rispettive forze nella stessa direzione delle forze F1 e F2 delle masse sospese 1, 2 nelle figure 5-7. Di conseguenza, la massa sospesa 3 si allontana dal rispettivo elettrodo inferiore 18b, riducendo la capacità di accoppiamento, e la massa sospesa 4 si avvicina al rispettivo elettrodo inferiore 18b, aumentando la capacità di accoppiamento.

Anche in questo caso, il circuito di lettura 20 è in grado di rilevare direzione e modulo del campo magnetico B dalle variazioni di capacità rilevate.

In caso di campo magnetico B3 esterno parallelo all'asse Z (perpendicolare al piano del disegno in fig. 8), le masse sospese 1-4 sono soggette a forze F3-F6 dirette nel piano del disegno XY e quindi si muovono in tale piano XY. In dettaglio, nel caso illustrato in fig. 8, in cui il campo magnetico B3 è entrante nel piano del disegno (diretto in allontanamento dall'osservatore), la massa sospesa 1 si muove verso destra, la massa sospesa 2 si muove verso sinistra, la massa sospesa 3 si muove verso l'alto e la massa sospesa 4 si muove verso il basso.

Lo spostamento delle masse sospese 1 e 2 provoca un corrispondente movimento dei bracci sospesi 10, quindi gli elettrodi mobili 11 disposti su una lato della massa sospesa 1 (a destra nel disegno) si avvicinano ai rispettivi elettrodi fissi 12; viceversa gli elettrodi mobili 11 sull’altro lato della massa sospesa 1 (a sinistra nel disegno) si allontanano dai rispettivi elettrodi fissi 12. Di conseguenza aumenta la capacità fra gli elettrodi mobili 11 e gli elettrodi fissi 12 nel primo e nel terzo quadrante di fig. 8 e diminuisce la capacità fra gli elettrodi mobili 11 e gli elettrodi fissi 12 nel secondo e nel quarto quadrante. Tale variazione di capacità può essere rilevata dal circuito di lettura 20 che quindi può determinare il modulo e la direzione del campo.

Lo spostamento delle masse sospese 3 e 4 è invece ininfluente, in quanto non cambia la loro distanza dagli elettrodi inferiori, che hanno area maggiore, come sopra indicato, ed essi non sono collegati a elettrodi sospesi.

La presenza di un campo magnetico B3 avente direzione opposta provoca naturalmente un movimento in direzione contraria ed un’opposta variazione di capacità.

Nel magnetometro delle figure 2-7, il rilevamento del campo magnetico esterno potrebbe essere effettuato utilizzando solo due masse sospese attraversate da correnti fra loro perpendicolari, ad esempio le masse sospese 1, 3. La presenza di coppie di masse sospese 1-2 e 3-4 attraversate da correnti I fluenti in una direzione opposta consente tuttavia una lettura differenziale tale da cancellare disturbi di modo comune legati ad esempio a capacità parassite oltre che ad eventuali condizioni di stress.

Nel caso che il campo magnetico B non sia diretto perpendicolarmente al piano XY, ma presenti un angolo θ rispetto alla verticale o nel caso che, per effetto delle forze agenti sulle masse sospese 1-4, queste ruotino di un angolo θ (si veda la figura 9), queste vedono una componente del campo pari a Bcosθ. In questo caso, il circuito di lettura 20 dovrà moltiplicare il valore del modulo del campo B per un fattore correttivo k, mostrato in fig. 10.

Le figure 11-16 mostrano varianti del magnetometro di fig. 2. In tali figure, per semplicità, e data la simmetria della struttura rispetto agli assi X e Y, viene mostrato il solo secondo quadrante, e la struttura completa può essere ottenuta ribaltando la struttura parziale mostrata intorno agli assi X e Y. Inoltre, per semplicità, nelle figure 11-15 non sono mostrati gli elettrodi fissi 12 e i bracci fissi 13.

In dettaglio, in figura 11, l'estremità del braccio sospeso 10 non collegata alla massa sospesa 1 è collegata ad prime estremità di una coppia di molle di supporto 25, le cui seconde estremità sono collegate ad uno stesso ancoraggio di supporto 26. Qui le due molle di supporto 25 sono di tipo ripiegato e si estendono simmetricamente rispetto all'asse longitudinale del braccio sospeso 10. Analoghe molle di supporto (non mostrate) sono previste per i bracci sospesi 10 del primo, terzo e quarto quadrante del magnetometro.

In questo modo, si ottiene una divisione delle frequenze di risonanza delle varie parti del magnetometro.

In figura 12, le masse sospese 1 e 3 (così come le masse sospese 2 e 4, non mostrate), ancora di forma rettangolare, non sono più ancorate centralmente e in ancoraggi periferici disposti sugli assi di simmetria, ma sono supportate mediante quattro rispettive molle laterali 28, estendentisi ciascuna da un rispettivo spigolo. In particolare, le molle laterali 28 che si estendono a partire da uno spigolo esterno delle masse sospese 1, 3, sono in parte affacciate alla rispettiva massa sospesa 1, 3, e sporgono in parte lateralmente oltre questa, e sono ancorate all'estremità distale mediante propri ancoraggi 29. Le molle laterali 28 che si estendono dallo spigolo interno di ciascuna massa sospesa 1, 3 (anch'esse in parte affacciate e in parte sporgenti oltre la rispettiva massa sospesa 1, 3) sono ancorate ad uno stesso ancoraggio comune 30. In alternativa, invece di un ancoraggio comune 30 potrebbero essere previsti due ancoraggi separati. Inoltre, anche in questo caso, le molle laterali 28 sono disposte simmetricamente rispetto a piani mediani attraversanti le masse sospese 1, 3 parallelamente all’asse X e, rispettivamente, Y.

In questo modo, gli elementi elastici di sospensione (molle) delle masse sospese 1-4 vengono sdoppiati ciascuno in due elementi, ancorati eccentricamente ma simmetricamente, ottenendo un raddoppio della lunghezza o dei ripiegamenti della singola molla e una maggiore simmetria della struttura su entrambi gli assi X e Y. In questo modo, si garantisce lo stesso modo di vibrazione per tutte le masse sospese 1-4.

Secondo un'altra alternativa, le molle potrebbero estendersi dagli spigoli delle rispettive masse sospese 1-4 verso rispettivi ancoraggi periferici, senza avere alcuna porzione disposta affacciata ai lati lunghi delle masse sospese stesse.

Nella forma di realizzazione delle fig. 13, le masse sospese 1, 3 hanno maggiore lunghezza rispetto alla figura precedente, per cui le molle laterali 28 non sporgono oltre il lato lungo delle masse sospese 1,3. Inoltre, in questo caso, le molle laterali 28 collegate alla massa sospesa 1 hanno entrambe estremità distale collegata ad un proprio ancoraggio 32 posto in prossimità del braccio sospeso 10, mentre le molle laterali 28 collegate alla massa sospesa 3 hanno estremità distali ancorate ad un singolo ancoraggio mediano 31. In alternativa, anche le molle laterali 28 collegate alla massa sospesa 3 potrebbero avere singoli ancoraggi 32; oppure tutte le molle laterali 28 potrebbero essere ancorate come mostrato in fig. 12.

Con la configurazione di fig. 13 si ottiene un aumento della sensibilità grazie all'allungamento del percorso della corrente (maggiore lunghezza l delle masse sospese formanti il conduttore C di fig. 1), senza aumentare l'ingombro totale del magnetometro.

La fig. 14 mostra una forma di realizzazione in cui le masse sospese 1, 3 hanno la stessa lunghezza complessiva di fig. 13, ma non hanno più forma rettangolare, e sono costituite da una porzione centrale 35a approssimativamente quadrata o rettangolare e da due prolungamenti 35b diretti rispettivamente lungo l'asse Y (per la massa sospesa 1) e l'asse X (per la massa sospesa 3). Le molle laterali 28 in questo caso hanno una prima estremità collegata ad un rispettivo spigolo di un prolungamento 35b ed una seconda estremità (distale) collegata ad un proprio ancoraggio 33 disposto in prossimità della porzione centrale 35a.

Anche in questo caso si ottiene un allungamento del percorso della corrente.

La fig. 15 mostra una struttura altamente simmetrica, in cui anche la massa sospesa 3 (così come la massa sospesa 4, non mostrata) porta rispettivi elettrodi mobili 38 estendentisi da entrambi i lati di bracci sospesi 39 analoghi ai bracci sospesi 10 delle masse sospese 1, 3. Qui, le masse sospese 1, 3 hanno la forma di fig. 14, includente una porzione centrale 35a e prolungamenti 35b; gli spigoli dei prolungamenti 35b di entrambe le masse sospese 1, 3 sono collegati a prime estremità di molle 40a, 40b aventi seconde estremità collegate rispettivamente ad un ancoraggio centrale 41 o a un ancoraggio periferico 42. In dettaglio, l'ancoraggio centrale 41 ha qui forma sostanzialmente a croce, di cui sono visibili solo due semibracci, e ciascun semibraccio ha forma ad U (come mostrato con tratteggio in fig. 15) ed è dotato di un incavo alloggiante un prolungamento 35b e le due molle 40a collegate sui due lati di uno stesso prolungamento 35b. Gli ancoraggi periferici 42 hanno anch’essi forma ad U (come mostrato per l'ancoraggio della massa sospesa 1), con la cavità rivolta verso il centro della struttura e alloggiante l'altro prolungamento 35b di ciascuna massa sospesa 1, 3 nonché le due molle 40b collegate allo stesso altro prolungamento 35b.

In questo caso la struttura è simmetrica anche rispetto ad assi posti a 45° rispetto agli assi X e Y e gli elettrodi mobili 38 (affacciati a rispettivi elettrodi fissi, non mostrati) sono anch'essi sensibili a campi magnetici esterni diretti lungo l'asse Z. In questo modo, scegliendo opportunamente le dimensioni delle masse sospese 1-4, è possibile uniformare la sensibilità del magnetometro lungo i tre assi X, Y, Z.

La figura 16 mostra un'ulteriore forma di realizzazione in cui tutte le masse (qui le masse 1 e 3) portano una coppia di strutture sospese 45 conformate a triangolo (una sola struttura sospesa 45 per ciascuna massa sospesa 1, 3 è visibile in figura). Ciascuna struttura sospesa 45 include un braccio trasversale 46, parallelo alla direzione principale della rispettiva massa sospesa e portante una serie di bracci sospesi 47, perpendicolari al rispettivo braccio trasversale 46 e da cui si estendono elettrodi mobili 48 interfacciati a rispettivi elettrodi fissi non mostrati. Le masse sospese 1, 3 hanno qui la forma uguale e sono ancorate nello stesso modo della forma di realizzazione di fig. 15.

La figura 17 mostra una variante della forma di realizzazione di fig. 2, in cui il braccio sospeso 10 si estende parallelamente alla direzione della corrente I nella massa sospesa associata (qui parallelamente all'asse Y, per la massa sospesa 1) e quindi gli elettrodi mobili 11 sono diretti perpendicolarmente alla direzione della corrente. Un braccio di connessione 49 collega il braccio sospeso 10 alla massa sospesa 1. In questo modo, in presenza di un campo magnetico diretto lungo l'asse Z e quindi di una forza F3 diretta parallelamente all’asse X, gli elettrodi mobili 11 si muovono parallelamente agli elettrodi fissi 12, in modo da diminuire (come nell'esempio mostrato) o aumentare la superficie di affaccio. In questo modo, la variazione di capacità rilevata dal circuito di lettura (non mostrato) è legata in modo lineare allo spostamento, dipendendo dalla variazione dell'area di affaccio A piuttosto che dalla distanza d fra gli elettrodi (C ∝ A/d). Ovviamente, anche in questo caso, il numero e la disposizione delle molle e degli ancoraggi possono cambiare rispetto a quanto mostrato in fig. 17, secondo una qualsiasi delle soluzioni mostrate nelle figg. 12-16.

Inoltre, gli elettrodi mobili 11 potrebbero estendersi direttamente a partire dalla prima massa sospesa 1, senza necessitare il braccio sospeso 10 e il braccio di connessione 49.

Il magnetometro descritto presenta numerosi vantaggi. Innanzitutto esso può essere integrato in un singolo ″die″ e usando tecniche di fabbricazione comuni e ben controllate, a costi inferiori rispetto a strutture dotate di singolo o doppio asse di sensibilità.

Inoltre esso ha elevata flessibilità. Infatti, a seconda dello spessore dello strato epitassiale formante le strutture sospese, la larghezza e la lunghezza delle molle è possibile ottenere diversi fondi scala.

Il magnetometro descritto presenta una buona reiezione ai disturbi di modo comune, grazie all'elevata simmetria della struttura, e quindi ha elevata precisione.

La realizzazione del magnetometro triassiale in un singolo ″die″ di materiale semiconduttore e quindi di dimensioni molto ridotte, ne consente l'incorporazione in apparecchi portatili anche di dimensioni palmari.

Ad esempio, il magnetometro descritto può essere utilizzato come bussola elettronica in un cellulare o altro apparecchio elettronico avente funzioni di navigazione. In questo caso, come mostrato in figura 18, un apparecchio 50 avente funzioni di navigazione può comprendere il magnetometro 40 e un microcontrollore 51, collegato con il magnetometro 40 e con un visualizzatore 52 e ricevente segnali di comando dall'esterno attraverso apposite interfacce, non mostrate.

Ulteriori possibili applicazioni comprendono rilevatori di posizione (lineare o rotatoria, ad esempio di manopole, cursori, joystick e simili, organi mobili, quali pistoni, ecc.), indicatori di livello e così via.

Risulta infine chiaro che al magnetometro qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, le molle utilizzate per il supporto delle masse sospese possono avere diverse tipologie e possono essere ottimizzate variando il numero di ripiegamenti, oltre che i parametri geometrici (larghezza, lunghezza e spessore), in modo da aumentare la sensibilità del sensore, e possono essere combinate diversamente rispetto a quanto mostrato. Ad esempio, nella forma di realizzazione di fig. 17, il braccio di connessione 49 può proseguire oltre il braccio di supporto 10 ed essere collegato, analogamente a quanto mostrato in fig. 11, ad una regione di ancoraggio di supporto 26 mediante molle di supporto 25.

La posizione e il numero di ancoraggi possono variare ampliamente, in modo da ottimizzare il layout della struttura e i parametri delle molle e delle masse sospese.

Il processo di fabbricazione può variare rispetto a quanto descritto. Ad esempio, è possibile utilizzare il processo descritto nella domanda di brevetto N. TO2009A000616 depositato a nome della richiedente il 5 agosto 2009 e includente formare lo strato di isolamento 17, le regioni conduttive 18, lo strato sacrificale, crescere epitassialmente lo strato strutturale, scavare lo strato strutturale fino alla regione sacrificale in modo da formare trincee passanti; rivestire, completamente e in modo conforme, le pareti laterali e il fondo delle trincee passanti con uno strato di materiale poroso; rimuovere lo strato sacrificale attraverso lo strato di materiale poroso; ed eventualmente riempire alcune trincee passanti.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Magnetometro triassiale integrato di materiale semiconduttore realizzato in tecnologia MEMS, comprendente: una prima ed una seconda massa sospesa (1, 3) definenti un piano e configurate in modo da essere attraversate da rispettive correnti (I) fluenti nel piano in direzioni fra loro trasversali; un primo ed un secondo elettrodo inferiore (18b), ciascuno accoppiato capacitivamente ad una rispettiva massa sospesa; elettrodi mobili di rilevamento (11), portati dalla prima massa sospesa (1); e elettrodi fissi di rilevamento (12), accoppiati capacitivamente a rispettivi elettrodi mobili di rilevamento, la prima massa sospesa (1) essendo configurata in modo da essere mobile in direzione trasversale al piano in avvicinamento/allontanamento dal primo elettrodo inferiore (18b) in presenza di un campo magnetico avente una componente in una prima direzione (X) parallela al piano e trasversale alla corrente fluente nella prima massa sospesa; la seconda massa sospesa (3) essendo configurata in modo da essere mobile in direzione trasversale al piano in avvicinamento/allontanamento dal secondo elettrodo inferiore in presenza di un campo magnetico avente una componente in una seconda direzione (Y) parallela al piano e trasversale alla corrente fluente nella seconda massa sospesa; e la prima massa sospesa essendo configurata in modo da essere mobile in direzione parallela al piano e trasversale alla corrente fluente nella prima massa sospesa in presenza di un campo magnetico avente una componente in una terza direzione (Z) perpendicolare al piano.
2. 2. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 1, comprendente un substrato (21) di materiale semiconduttore portante gli elettrodi fissi di rilevamento (18b) e distanziato dalla prima e dalla seconda massa sospesa (1, 3) mediante una regione d'aria (19).
3. 3. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 2, comprendente regioni di ancoraggio (7,8;26;29-33;41, 42) solidali al substrato (21) ed elementi di sospensione elastica (6; 25;28;40a, 40b) estendentisi fra le masse sospese (1-4) e le regioni di ancoraggio.
4. 4. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 3, in cui le regioni di ancoraggio comprendono una regione di ancoraggio centrale (7;41) ed una prima ed una seconda regione di ancoraggio periferico (8;42), la prima e la seconda massa sospesa (1, 3) essendo collegate fra la regione di ancoraggio centrale e una rispettiva prima e seconda regione di ancoraggio periferico attraverso gli elementi di sospensione elastica (6; 40a, 40b), la prima regione di ancoraggio periferico (8;42) e la regione di ancoraggio centrale (7;41) essendo reciprocamente allineate e parallele alla seconda direzione, e la seconda regione di ancoraggio periferico (8;42) e la regione di ancoraggio centrale essendo reciprocamente allineate e parallele alla prima direzione.
5. 5. Magnetometro triassiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, comprendente un braccio sospeso (10; 49) estendentesi dalla prima massa sospesa (1) nella prima direzione, gli elettrodi mobili di rilevamento (12) estendendosi nella seconda direzione a partire dal braccio sospeso.
6. 6. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre almeno un elemento elastico di sostegno (25) estendentesi fra il braccio sospeso (10) e almeno una regione di ancoraggio di supporto (26).
7. 7. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 5 o 6, comprendente un secondo braccio sospeso (39) estendentesi dalla seconda massa sospesa (3) nella seconda direzione e portante una pluralità di elettrodi ausiliari (38) estendentisi parallelamente alla prima direzione.
8. 8. Magnetometro triassiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui gli elettrodi mobili di rilevamento (12) si estendono parallelamente alla prima direzione.
9. 9. Magnetometro triassiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, in cui la prima e la seconda massa sospesa (1,3) hanno forma poligonale simmetrica rispetto a rispettivi piani mediani paralleli alla prima e alla seconda direzione.
10. 10. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 9, in cui coppie degli elementi di sospensione elastica (28; 40a,40b) si estendono dalla periferia della prima e della seconda massa sospesa verso regioni di ancoraggio 29, 30;32;33;42) disposte sostanzialmente simmetricamente rispetto ai rispettivi piani mediani.
11. 11. Magnetometro triassiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10, in cui la prima e la seconda massa sospesa (1,3) comprendono ciascuna una porzione centrale (35a) avente forma poligonale simmetrica rispetto a rispettivi piani mediani paralleli alla prima e alla seconda direzione e una coppia di prolungamenti (35b) diretti lungo la seconda, rispettivamente la prima direzione, una coppia elementi di sospensione elastica (28;40a,40b) estendendosi lateralmente a ciascuna coppia di prolungamenti, simmetricamente rispetto alla seconda, rispettivamente alla prima direzione e ai rispettivi piani mediani paralleli alla prima e rispettivamente alla seconda direzione.
12. 12. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 11, in cui le regioni di ancoraggio comprendono una regione di ancoraggio centrale (41) ed una pluralità di regioni di ancoraggio periferico (42), in cui la regione di ancoraggio centrale comprende almeno due regioni ad U circondanti ciascuna un rispettivo primo prolungamento (35b) della prima e della seconda massa sospesa (1,3).
13. 13. Magnetometro triassiale secondo la rivendicazione 12, in cui le regioni di ancoraggio periferico (42) comprendono regioni ad U circondanti ciascuna un rispettivo secondo prolungamento (35B) della prima e della seconda massa sospesa (1,3).
14. 14. Magnetometro triassiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una terza e una quarta massa sospesa (2,4) disposte simmetricamente rispetto alla prima e alla seconda massa sospesa (1,3) e affacciate a rispettivi elettrodi inferiori (18b).
15. 15. Magnetometro triassiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-14, integrato in una piastrina di materiale semiconduttore (15) alloggiante una circuiteria di alimentazione/lettura (20).
16. 16. Apparecchio elettronico (50) comprendente un'unità di comando (51), un visualizzatore (52) ed un magnetometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-14 e formante una bussola elettronica, un rilevatore di posizione, un indicatore di livello.