ITTO20120691A1

ITTO20120691A1 - Sensore d'urto con meccanismo bistabile e metodo per il rilevamento di urti

Info

Publication number: ITTO20120691A1
Application number: IT000691A
Authority: IT
Inventors: Leonardo Baldasarre; Masi Biagio De; Attilio Frangi
Original assignee: Milano Politecnico; St Microelectronics Srl
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-02
Also published as: US20140033964A1; US9316550B2

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"SENSORE D'URTO CON MECCANISMO BISTABILE E METODO PER IL RILEVAMENTO DI URTI"

La presente invenzione è relativa a un sensore d'urto con meccanismo bistabile e a un metodo per il rilevamento di urti.

In molte occasioni, è utile sapere se un determinato dispositivo o oggetto, come ad esempio, ma non solo, un dispositivo elettronico portatile, ha subito urti di intensità tale da causare potenziali danni. Questo tipo di informazione può risultare utile per varie ragioni e può permettere, tra l'altro, di agevolare procedure diagnostiche, di offrire una guida nella scelta dell'intervento di manutenzione più appropriato e di verificare che l'uso del dispositivo sia stato conforme alle prescrizioni. Allo stesso modo, è possibile controllare, ad esempio a scopi assicurativi, se un oggetto affidato a un vettore per spedizioni ha subito danni durante il trasporto.

Generalmente, per scopi come questi non è necessario misurare con precisione tutte le sollecitazioni a cui il dispositivo è stato sottoposto, mentre occorre tenere traccia del verificarsi di urti potenzialmente nocivi. Più precisamente, l'informazione rilevante riguarda il fatto che si sia o non si sia verificato almeno un urto di intensità superiore a una determinata soglia.

Sono noti vari tipi di sensori, in particolare di tipo microelettromeccanico, che possono essere utilizzati nel monitoraggio degli urti subiti nel corso della vita di un dispositivo .

I sensori attivi, basati ad esempio su accelerometri MEMS ( "Micro-Electro-Mechanical-Systems"), sono estremamente accurati e affidabili e quindi permettono di memorizzare grandi quantità di dati precisi. Tuttavia, per molte applicazioni non è assolutamente richiesto un livello di accuratezza così elevato ed è sufficiente memorizzare un singolo evento. Il costo dei sensori attivi non è quindi giustificato. Inoltre, il consumo di energia dei sensori attivi è considerevole e può influire in modo significativo sull'autonomia dei dispositivi in cui i sensori stessi sono incorporati .

I sensori d'urto passivi, per contro, sono economici e il consumo di energia è trascurabile o addirittura nullo, ma in genere il controllo della soglia è piuttosto approssimativo. Ad esempio, EP 1394 555 e l'equivalente US 6,858,810 descrivono un sensore d'urto a semiconduttore che comprende un corpo di supporto e una massa mobile, collegata al corpo di supporto mediante molle di sospensione. Il corpo di supporto e la massa mobile sono inoltre collegati da provini, definiti da elementi elastici conduttivi (in particolare di silicio policristallino drogato) aventi regioni di indebolimento. Quando il sensore subisce un'accelerazione, la massa trasla secondo i gradi di libertà concessi dal sistema di molle di sospensione e sottopone a sforzo i provini. Se l'accelerazione supera una soglia almeno lungo un asse, le regioni di indebolimento dei provini si rompono. Lo stato dei provini (integro o interrotto) può essere facilmente determinato applicando una tensione alle estremità dei provini stessi: se i provini sono integri, la tensione provoca il passaggio di una corrente, mentre la corrente è nulla se i provini sono interrotti. Il sensore di urti è relativamente semplice ed economico da realizzare, può facilmente essere integrato in una piastrina semiconduttrice e quindi incorporato in qualsiasi dispositivo elettronico e richiede un'alimentazione elettrica esclusivamente per la lettura. Tuttavia, la soqlia di rottura a trazione dei provini può essere determinata solo con un qrado di approssimazione spesso insoddisfacente, sia perché la dinamica dei processi di rottura è larqamente imprevedibile, sia per le ineliminabili dispersioni di processo. L'accuratezza di questo tipo di sensori d'urto può quindi risultare insufficiente .

Altri tipi di sensori d'urto, descritti in US 2011/0100124, sono basati su una camera contenente un liquido conduttivo e avente una parete confiqurata per rompersi a sequito di un urto di intensità superiore a una soqlia. In questo caso il liquido fuoriesce in una seconda camera, dove chiude il contatto fra due terminali elettrici. Lo stesso documento descrive anche sensori d'urto che comprendono un elemento maqnetico mantenuto sospeso da una molla conduttiva fra pareti metalliche. A sequito di un urto di sufficiente intensità, l'elemento maqnetico entra in contatto con una delle due pareti e anche in questo caso determina la chiusura di un circuito elettrico che comprende l'elemento maqnetico, la molla e le pareti.

In entrambi i casi, le strutture sono piuttosto complicate e devono essere utilizzati materiali poco adatti a essere integrati in processi di fabbricazione di dispositivi microelettromeccanici a semiconduttore. I sensori d'urto descritti in US 2011/0100124 prevedono infatti strutture incapsulate in camere, che sono difficoltose se non impossibili da realizzare con le tecniche di fabbricazione dei circuiti integrati. In particolare, è difficoltoso disporre un liquido conduttivo in una camera chiusa contenuta all'interno di un'altra camera. Inoltre, anche l'accuratezza dei sensori d'urto resta comunque insoddisfacente. In un caso, infatti, la soglia di forza è determinata dalla rottura di un diaframma; e nell'altro caso la soglia di forza è determinata dal bilancio fra forze magnetiche e forze elastiche di richiamo e quindi dipende dalla geometria, dalle caratteristiche della molla e dalle dispersioni di processo. Tutti i tipi di sensori d'urto sono comunque poco adatti a essere incorporati in dispositivi elettronici, specie portatili.

Scopo della presente invenzione è fornire un sensore d'urto e un metodo per rilevare urti che siano privi delle limitazioni descritte e, in particolare, possano essere comodamente impiegati in dispositivi elettronici portatili.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un sensore d'urto e un metodo per rilevare urti come definiti rispettivamente nella rivendicazione 1 e nella rivendicazione 24.

Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne verranno ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;

- la figura 2 è una vista in pianta dall'alto del sensore d'urto di figura 1, in una seconda configurazione operativa;

- la figura 3 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 4 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 5 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;

- la figura 6 è una vista in pianta dall'alto del sensore d'urto di figura 5, in una seconda configurazione operativa;

- la figura 7 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;

- la figura 8 è una vista in pianta dall'alto del sensore d'urto di figura 7, in una seconda configurazione operativa;

- la figura 9 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;

- la figura 10 è una vista in pianta dall'alto del sensore d'urto di figura 9, in una seconda configurazione operativa;

- la figura 11 è uno schema elettrico semplificato del sensore d'urto di figura 9;

- la figura 12 è uno schema elettrico semplificato di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 13 è una sezione trasversale semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;

- la figura 14 è una sezione trasversale del sensore d'urto di figura 13, in una seconda configurazione operativa;

- la figura 15 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 16 è una vista in pianta dall'alto semplificata di un sensore d'urto in accordo a un'altra forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;

- la figura 17 è una vista in pianta dall'alto del sensore d'urto di figura 16, in una seconda configurazione operativa; e

- la figura 18 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema elettronico incorporante un sensore d'urto.

Con riferimento alle figure 1 e 2, un sensore d'urto in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione è indicato nel suo complesso con il numero 1 e comprende un corpo di supporto 2, un meccanismo bistabile 3 e un dispositivo di rilevamento 5 accoppiato al meccanismo bistabile 3.

Il corpo di supporto 2 può essere un substrato o un altro strato semiconduttore, ad esempio in silicio monocristallino o policristallino, eventualmente incorporante regioni metalliche e regioni dielettriche, ad esempio di ossido o nitruro di silicio, con funzione strutturale e/o di isolamento elettrico.

Il meccanismo bistabile 3 ha una prima configurazione meccanica stabile e una seconda configurazione meccanica stabile. In uno stato iniziale, il meccanismo bistabile 3 è nella prima configurazione meccanica stabile e commuta alla seconda configurazione meccanica stabile quando è sottoposto a una forza d'urto applicata lungo un asse di rilevamento A e superiore a una soglia di forza. La prima configurazione meccanica stabile e la seconda configurazione meccanica stabile sono definite da rispettive configurazioni di minimo di energia potenziale del meccanismo bistabile 3. Il meccanismo bistabile 3 commuta fra la prima configurazione meccanica stabile e la seconda configurazione meccanica stabile quando è sottoposto a una forza tale da trasmettere al meccanismo bistabile 3 stesso un'energia superiore a un'energia di transizione. Quando al meccanismo bistabile 3 viene applicata una forza lungo l'asse di rilevamento A, in particolare per effetto di una accelerazione dovuta a un urto, il meccanismo bistabile 3 si deforma e assume configurazioni intermedie a cui sono associati livelli maggiori di energia potenziale. Se la forza d'urto applicata è inferiore alla soglia di forza, il meccanismo bistabile 3 torna comunque nella configurazione meccanica stabile di partenza dopo che la forza è stata rimossa. Se invece, la forza d'urto applicata supera la soglia di forza, il meccanismo bistabile si porta rapidamente verso la configurazione meccanica stabile opposta a quella di partenza, anche se la forza d'urto cessa di essere applicata. L'energia accumulata per effetto della forza d'urto innesca la transizione fra le configurazioni meccaniche stabili e viene rilasciata, una volta superata la soglia di forza, nel passaggio da una configurazione deformata intermedia alla configurazione meccanica stabile finale. Qui e nel seguito, resta inteso che la forza d'urto superiore alla soglia di forza è applicata per un tempo sufficiente a fornire al meccanismo bistabile 3 un'energia superiore all'energia di transizione. Anche in considerazione delle dimensioni dei dispositivi microelettromeccanici, questa situazione si verifica normalmente in caso di urto ad esempio da caduta. Si può quindi di regola fare riferimento alla sola soglia di forza sostanzialmente per tutte le applicazioni pratiche dei sensori d'urto. In particolare, in sede di progetto la soglia di forza può essere utilizzata come parametro per definire con sufficiente accuratezza le condizioni di scatto dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile e viceversa.

Nella forma di realizzazione qui descritta, la forza è generata dalla massa del meccanismo bistabile stesso a seguito della decelerazione improvvisa del corpo di supporto 2 causata da un urto.

Il meccanismo bistabile 3 comprende un sistema di elementi elastici lineari. In una forma di realizzazione, in particolare, il meccanismo bistabile 3 comprende un primo elemento elastico a lamina 3a e un secondo elemento elastico a lamina 3b, definiti da rispettive travi flessibili di materiale semiconduttore. In alternativa, gli elementi elastici a lamina 3a, 3b possono essere realizzati in altri materiali, quali vetro o metallo. Il primo elemento elastico a lamina 3a e il secondo elemento elastico a lamina 3b hanno rispettive estremità fissate a una superficie del corpo di supporto 2 mediante ancoraggi 7 e per il resto sono mobili parallelamente alla superficie del corpo di supporto 2 fra la prima configurazione meccanica stabile e la seconda configurazione meccanica stabile. Inoltre, un elemento a ponte 8 congiunge porzioni centrali del primo elemento elastico a lamina 3a e del secondo elemento elastico a lamina 3b.

Nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile, il primo elemento elastico a lamina 3a e il secondo elemento elastico a lamina 3b presentano forma arcuata, con una geometria selezionata in funzione della soglia di forza desiderata, e sono fra loro paralleli. Più specificamente, nella prima configurazione meccanica stabile, il primo elemento elastico a lamina 3a e il secondo elemento elastico a lamina 3b definiscono rispettive prime concavità, aperte sul lato verso il dispositivo di rilevamento 5. Nella seconda configurazione meccanica stabile, invece, il primo elemento elastico a lamina 3a e il secondo elemento elastico a lamina 3b definiscono rispettive seconde concavità, aperte sul lato opposto al dispositivo di rilevamento 5. Pertanto, la distanza media fra il meccanismo bistabile 3 e il dispositivo di rilevamento 5 è maggiore nella prima configurazione meccanica stabile che nella seconda configurazione meccanica stabile.

In una forma di realizzazione, il meccanismo bistabile 3 comprende un elemento appuntito 10, portato dal secondo elemento elastico a lamina 3b sul lato rivolto verso il dispositivo di rilevamento 5. L'elemento appuntito 10 è disposto in una regione del secondo elemento elastico a lamina 3b che presenta la massima escursione fra la prima posizione meccanica stabile e la seconda posizione meccanica stabile, ossia, nella forma di realizzazione descritta, una regione centrale del secondo elemento elastico a lamina 3b.

Il dispositivo di rilevamento 5 è accoppiato al meccanismo bistabile 3 e ha un primo stato, quando il meccanismo bistabile 3 e nella prima configurazione meccanica stabile, e un secondo stato, quando il meccanismo bistabile 3 è nella seconda configurazione meccanica stabile.

Più in dettaglio, il dispositivo di rilevamento 5 comprende una struttura conduttiva 11 e un'unità di lettura 12. La struttura conduttiva 11 è realizzata ad esempio in silicio policristallino e comprende porzioni strutturali Ila, fissate al corpo di supporto 2 e affacciate al meccanismo bistabile 3. In una forma di realizzazione, le porzioni strutturali definiscono elettrodi sostanzialmente rettilinei e allineati. Le porzioni strutturali Ila sono distanziate l'una dall'altra e sono collegate fra loro da un elemento conduttivo di test 13, anch'esso di silicio policristallino. Più precisamente, l'elemento conduttivo di test 13 è sospeso sul corpo di supporto 2 ed è affacciato alla porzione centrale del meccanismo bistabile 3, dove si trova l'elemento appuntito 10. Inoltre, l'elemento conduttivo di test 13 è posto a una distanza dal meccanismo bistabile 3 tale per cui l'elemento appuntito 10 penetra attraverso l'elemento conduttivo di test 13 stesso in modo da determinarne la rottura, quando il meccanismo bistabile 3 commuta dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile.

Il meccanismo bistabile 3 e l'elemento conduttivo di test 13 sono selezionati in modo che l'energia necessaria a rompere l'elemento conduttivo di test 13 sia minore dell'energia rilasciata dal meccanismo bistabile 3 nel passaggio dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile. L'elemento appuntito 10 concentra la forza impressa dal meccanismo bistabile 3, favorendo la rottura dell'elemento conduttivo di test 13.

L'unità di lettura 12 ha terminali collegati alla struttura conduttiva 11 in modo da formare un circuito elettrico che include l'elemento conduttivo di test 13. L'unità di lettura 12 è inoltre configurata per riconoscere in quale configurazione meccanica stabile si trova il meccanismo bistabile 3, in base allo stato dell'elemento conduttivo di test 13. Più precisamente, l'unità di lettura 12 riconosce uno stato di circuito chiuso (primo stato), quando l'elemento conduttivo di test 13 è integro, e uno stato di circuito aperto (secondo stato), quando l'elemento conduttivo di test 13 è interrotto, e determina di conseguenza che il meccanismo bistabile 3 si trova rispettivamente nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile.

Come già accennato, il meccanismo bistabile 3 è inizialmente posto nella prima configurazione meccanica stabile e l'elemento conduttivo di test 13 è integro. Se il sensore d'urto subisce una sollecitazione (in particolare una decelerazione) lungo l'asse di rilevamento A tale per cui al meccanismo bistabile 3 viene applicata una forza d'urto (per inerzia) superiore alla soglia di forza, il meccanismo bistabile 3 commuta repentinamente alla seconda configurazione meccanica stabile e causa la rottura dell'elemento conduttivo di test 13.

L'unità di lettura 12 consente di determinare la condizione dell'elemento conduttivo di test 13 e quindi lo stato del dispositivo di rilevamento 5, come già descritto.

Il meccanismo bistabile 3 opera quindi come elemento di memoria e indica se il sensore d'urto 1 ha ricevuto almeno una sollecitazione superiore alla soglia di forza.

Vantaggiosamente, la soglia di forza è determinata unicamente dalle caratteristiche meccaniche del meccanismo bistabile 3, che possono essere calcolate e controllate con elevata precisione in fase di fabbricazione, nonostante le inevitabili dispersioni di processo. La rottura dell'elemento conduttivo di test 13 non è critica e non influisce sulla soglia di forza. In altre parole, il meccanismo bistabile 3 e l'elemento conduttivo di test 13 possono facilmente essere progettati in modo che la commutazione dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile causi inevitabilmente la rottura dell'elemento conduttivo di test 13, per l'energia rapidamente rilasciata nella fase finale della transizione.

Il sensore d'urto 1 inoltre può essere facilmente realizzato utilizzando tecniche convenzionali di fabbricazione dei semiconduttori, in particolare tecniche per la realizzazione di sistemi microelettromeccanici. Poiché viene sfruttata un'azione puramente meccanica, il sensore d'urto 1 è di tipo passivo e richiede una quantità di energia assolutamente trascurabile solo nella fase di lettura dello stato del dispositivo di rilevamento 5.

Il sensore d'urto 1 è quindi particolarmente adatto a essere incorporato in dispositivi elettronici portatili con alimentazione autonoma, quali telefoni cellulari, calcolatori portatili, videocamere, fotocamere, lettori multimediali, apparecchi portatili per videogiochi interfacce utente attivate da movimento per calcolatori o console per videogiochi, dispositivi di navigazione satellitare e simili, orologi. Inoltre, il sensore d'urto 1 può essere vantaggiosamente impiegato per monitorare eventi potenzialmente dannosi per un oggetto a cui il sensore d'urto 1 stesso è applicato, come, ad esempio, un collo affidato a un vettore per spedizioni.

Nella forma di realizzazione illustrata in figura 3, un sensore d'urto 1' comprende il meccanismo bistabile 3 e il dispositivo di rilevamento 5 già illustrati con riferimento alle figure 1 e 2. Il sensore d'urto 1' include inoltre una massa ausiliaria 14 mobile rispetto al corpo di supporto 2 e rigidamente collegata al meccanismo bistabile 3. La massa ausiliaria 14, che in una forma di realizzazione è di un materiale semiconduttore, permette di aumentare la forza applicata al meccanismo bistabile 3 a parità di accelerazione. In questo modo, è possibile ridurre significativamente le dimensioni del sensore d'urto 1. Mentre infatti gli elementi elastici a lamina 3a, 3b, per la funzione svolta, devono essere realizzati come lamine sottili, la massa ausiliaria 14 può avere una configurazione più compatta e quindi meno ingombrante ed essere ugualmente sufficiente a innescare la transizione del meccanismo bistabile 3 dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile.

Nella forma di realizzazione illustrata in figura 4, un sensore d'urto 1" comprende il meccanismo bistabile 3 e il dispositivo di rilevamento 5 già illustrati con riferimento alle figure 1 e 2. Il sensore d'urto 1' include inoltre una massa ausiliaria 15, che è mobile rispetto al corpo di supporto 2 e al meccanismo bistabile 3 e funge da organo attuatore per il meccanismo bistabile 3 stesso. Più precisamente, la massa ausiliaria 15 è vincolata al corpo di supporto 2 mediante ancoraggi 17 ed elementi elastici di sospensione 19, configurati in modo da lasciare alla massa ausiliaria 15 un grado di libertà traslatorio in accordo all'asse di rilevamento A rispetto al corpo di supporto 2 e consentire oscillazioni attorno a una posizione di riposo.

Qui e nel seguito, le espressioni "secondo un asse" e "in accordo a un asse" verranno utilizzate per indicare movimenti lungo un asse o attorno a un asse, secondo che i movimenti consentiti alle masse dai rispettivi gradi di libertà siano traslatori oppure rotatori, rispettivamente. Analogamente, le espressioni "secondo un grado di libertà" e "in accordo a un grado di libertà" saranno utilizzate per indicare movimenti traslatori o rotatori, come consentito dal grado di libertà medesimo. Nel caso specifico, la massa ausiliaria 15 è mobile lungo l'asse di rilevamento A rispetto al corpo di supporto 2.

Nella posizione di riposo, la massa ausiliaria 15 può indifferentemente essere collocata in prossimità del meccanismo bistabile 3, con leggero gioco (come nell'esempio di figura 4), oppure in contatto con il meccanismo bistabile 3. Nella forma di realizzazione illustrata, in particolare, la massa ausiliaria 15 è disposta in prossimità del primo elemento elastico a lamina 3a.

Un ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione è illustrata nelle figure 5 e 6. In questo caso, un sensore d'urto 100 comprende un corpo di supporto 102, un meccanismo bistabile 103 e un dispositivo di rilevamento 105 accoppiato al meccanismo bistabile 103.

Il meccanismo bistabile 103 ha una prima configurazione meccanica stabile e una seconda configurazione meccanica stabile e comprende un primo elemento elastico a lamina 103a e un secondo elemento elastico a lamina 103b in materiale semiconduttore drogato, sostanzialmente configurati come già descritto con riferimento alle figure 1 e 2. In particolare, il primo elemento elastico a lamina 103a e il secondo elemento elastico a lamina 103b sono collegati centralmente da un elemento a ponte 108, hanno rispettive estremità fissate a una superficie del corpo di supporto 102 mediante ancoraggi 107 e per il resto sono mobili parallelamente alla superficie del corpo di supporto 102 fra la prima configurazione meccanica stabile e la seconda configurazione meccanica stabile. Nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile, il primo elemento elastico a lamina 103a e il secondo elemento elastico a lamina 103b presentano forma arcuata e sono fra loro paralleli. Più specificamente, nella prima configurazione meccanica stabile, il primo elemento elastico a lamina 103a e il secondo elemento elastico a lamina 103b definiscono rispettive prime concavità, aperte sul lato verso il dispositivo di rilevamento 105. Nella seconda configurazione meccanica stabile, invece, il primo elemento elastico a lamina 103a e il secondo elemento elastico a lamina 103b definiscono rispettive seconde concavità, aperte sul lato opposto al dispositivo di rilevamento 105.

Il dispositivo di rilevamento 105 è accoppiato al meccanismo bistabile 103 e ha un primo stato, quando il meccanismo bistabile 103 è nella prima configurazione meccanica stabile, e un secondo stato, quando il meccanismo bistabile 103 è nella seconda configurazione meccanica stabile.

Il dispositivo di rilevamento 105 comprende una struttura capacitiva 111, un'unità di lettura 112 e una massa ausiliaria 115.

La strutture capacitiva 111 comprende un elettrodo llla, affacciato al meccanismo bistabile 103, e l'elemento elastico del meccanismo bistabile 103 disposto più vicino all'elettrodo llla (in questo caso, il secondo elemento elastico a lamina 103b). In una forma di realizzazione, l'elettrodo llla è una barra di materiale semiconduttore drogato, è sostanzialmente rettilineo e si estende parallelamente a una linea congiungente gli ancoraggi 107. In una diversa forma di realizzazione, l'elettrodo llla può essere metallico.

L'elettrodo llla e il secondo elemento elastico a lamina 103b sono accoppiati capacitivamente e formano un condensatore 109 la cui capacità dipende dalla configurazione del meccanismo bistabile 103. Il primo stato e il secondo del dispositivo di rilevamento 105 sono infatti identificati rispettivamente da un primo valore di capacità C1 (figura 5) e da un secondo valore di capacità C2 (figura 6) del condensatore 109. Poiché la distanza media fra il meccanismo bistabile 103 e il dispositivo di rilevamento 105 è maggiore nella prima configurazione meccanica stabile che nella seconda configurazione meccanica stabile, la prima capacità CI è minore della seconda capacità C2.

L'unità di lettura 112 ha terminali collegati rispettivamente all'elettrodo llla e al secondo elemento elastico a lamina 103b ed è configurata per effettuare una lettura di capacità e riconoscere in quale configurazione meccanica stabile si trova il meccanismo bistabile 103 in base al valore di capacità letto (CI per il primo stato e C2 per il secondo stato).

Un ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione è illustrata nelle figure 7 e 8. In questo caso, un sensore d'urto 200 comprende un corpo di supporto 202, un meccanismo bistabile 203 e un dispositivo di rilevamento 205 accoppiato al meccanismo bistabile 203.

Il meccanismo bistabile 203 ha una prima configurazione meccanica stabile e una seconda configurazione meccanica stabile e comprende un elemento elastico a lamina 203a in materiale semiconduttore drogato. In particolare, l'elemento elastico a lamina 203a presenta forma arcuata, ha estremità fissate a una superficie del corpo di supporto 202 mediante ancoraggi 207 e per il resto è mobile parallelamente alla superficie del corpo di supporto 202 fra la prima configurazione meccanica stabile e la seconda configurazione meccanica stabile. Nella prima configurazione meccanica stabile, l'elemento elastico a lamina 203a definisce una prima concavità, aperta sul lato verso il dispositivo di rilevamento 205. Nella seconda configurazione meccanica stabile, invece, l'elemento elastico a lamina 203a definisce una seconda concavità, aperta sul lato opposto al dispositivo di rilevamento 205.

Il dispositivo di rilevamento 205 comprende un elettrodo 211, l'elemento elastico a lamina 203a del meccanismo bistabile 203, un'unità di lettura 212 e una massa ausiliaria 215.

L'elettrodo 211 è affacciato al meccanismo bistabile 203 in modo da trovarsi in contatto con l'elemento elastico a lamina 203a quando il meccanismo bistabile 203 è nella seconda configurazione meccanica stabile.

L'unità di lettura 212 ha terminali collegati all'elettrodo 211 e all'elemento elastico a lamina 203a in modo da formare un circuito elettrico aperto o chiuso secondo che il meccanismo bistabile si trovi nella prima configurazione meccanica stabile o nella seconda configurazione meccanica stabile. L'unità di lettura 212 è inoltre configurata per riconoscere in quale configurazione meccanica stabile si trova il meccanismo bistabile 203, in base allo stato del circuito includente l'elettrodo 211 e l'elemento elastico a lamina 203a. Più precisamente, l'unità di lettura 212 riconosce uno stato di circuito aperto (primo stato), quando il meccanismo bistabile 203 è nella prima configurazione meccanica stabile, e uno stato di circuito chiuso (secondo stato), quando il meccanismo bistabile 203 è nella prima configurazione meccanica stabile, con l'elemento elastico a lamina 203a in contatto con l'elettrodo 211. L'unità di lettura 212 determina di conseguenza che il meccanismo bistabile 3 si trova rispettivamente nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile.

Un sensore d'urto 300 in accordo a un'ulteriore forma di realizzazione è illustrato nelle figure 9-11. Il sensore d'urto 300 comprende un corpo di supporto 302, meccanismi bistabili 303, un dispositivo di rilevamento 305 (figura 11) e una massa ausiliaria 315.

In una forma di realizzazione, i meccanismi bistabili 303 sono realizzati sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure 1 e 2 e comprendono ciascuno un primo elemento elastico a lamina 303a e un secondo elemento elastico a lamina 303b, uniti fra loro centralmente da un elemento a ponte 308 e fissati alle rispettive estremità al corpo di supporto 302 mediante ancoraggi 307. Inoltre, i meccanismi bistabili 303 sono dotati di rispettivi elementi appuntiti 310. Si intende tuttavia che anche gli altri tipi di meccanismi bistabili descritti potrebbero essere altrettanto efficacemente utilizzati.

I meccanismi bistabili 303 hanno rispettive prime configurazioni meccaniche stabili e seconde configurazioni meccaniche stabili. In uno stato iniziale, tutti i meccanismi bistabili 303 sono nella rispettiva prima configurazione meccanica stabile e commutano alla rispettiva seconda configurazione meccanica stabile quando sono sottoposti a una forza d'urto superiore a una soglia di forza secondo rispettivi assi di rilevamento.

Più in dettaglio, i meccanismi bistabili 303 sono disposti attorno alla massa ausiliaria 315 e sono orientati a coppie opposti lungo un primo asse di rilevamento X e un secondo asse di rilevamento Y indipendenti (perpendicolari in una forma di realizzazione). Due meccanismi bistabili 303 sono adiacenti a rispettivi lati opposti della massa ausiliaria 315 lungo il primo asse di rilevamento X, con i rispettivi elementi appuntiti 310 rivolti all'esterno rispetto (facing away from) alla massa ausiliaria 315. Questi due meccanismi bistabili 303 sono attivabili da oscillazioni della massa ausiliaria 315 in versi opposti lungo il primo asse di rilevamento X. Altri due meccanismi bistabili 303 sono adiacenti a rispettivi lati opposti della massa ausiliaria 315 lungo il secondo asse di rilevamento Y, con i rispettivi elementi appuntiti 310 rivolti all'esterno rispetto alla massa ausiliaria 315 Questi due meccanismi bistabili 303 sono attivabili da oscillazioni della massa ausiliaria 315 in versi opposti lungo il secondo asse di rilevamento Y. In alcune forme di realizzazione, può essere presente un solo meccanismo bistabile per ciascun asse di rilevamento indipendente.

Il dispositivo di rilevamento 305 è accoppiato ai meccanismi bistabili 303 e ha un primo stato, quando tutti i meccanismi bistabili 303 sono nella prima configurazione meccanica stabile, e un secondo stato, quando almeno uno dei meccanismi bistabili 303 è nella seconda configurazione meccanica stabile.

Più in dettaglio, il dispositivo di rilevamento 305 comprende strutture conduttive 311, accoppiate ciascuna a un rispettivo meccanismo bistabile 303, e un'unità di lettura 312. Le strutture conduttive 311 sono realizzate in silicio policristallino e comprendono porzioni strutturali 311a, fissate al corpo di supporto 302 e affacciate ai rispettivi meccanismi bistabili 303. In una forma di realizzazione, le porzioni strutturali 311a definiscono elettrodi sostanzialmente rettilinei e allineati. Le porzioni strutturali 311a di ciascuna struttura conduttiva 311 sono distanziate l'una dall'altra e sono collegate fra loro da un rispettivo elemento conduttivo di test 313, anch'esso di silicio policristallino. Più precisamente, in ciascuna struttura conduttiva 311, l'elemento conduttivo di test 313 è sospeso sul corpo di supporto 302 ed è affacciato alla porzione centrale del rispettivo meccanismo bistabile 303, dove si trova l'elemento appuntito 310. Inoltre, l'elemento conduttivo di test 313 è posto a una distanza dal rispettivo meccanismo bistabile 303 tale per cui l'elemento appuntito 310 penetra attraverso l'elemento conduttivo di test 313 stesso in modo da determinarne la rottura, quando il meccanismo bistabile 303 commuta dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile.

In figura 11, che mostra uno schema elettrico del dispositivo di rilevamento 5, gli elementi strutturali 311a sono illustrati mediante simboli di resistori, mentre gli elementi conduttivi di test 313 è per semplicità rappresentato con il simbolo elettrico di un fusibile, per indicare che ciascuno di essi si interrompe determinando in modo permanente una condizione di circuito aperto a seguito di un evento significativo (superamento della soglia di forza, in questo caso).

L'unità di lettura 312 ha coppie di terminali collegati agli elementi strutturali 311a di una rispettiva struttura conduttiva 311 in modo da formare circuiti elettrici che includono i rispettivi elementi conduttivo di test 313.

L'unità di lettura 312 è inoltre configurata per riconoscere in quale configurazione meccanica stabile si trova ciascun meccanismo bistabile 303, in base allo stato del rispettivo elemento conduttivo di test 313. Più precisamente, l'unità di lettura 312 riconosce uno stato di circuito chiuso (primo stato), quando l'elemento conduttivo di test 313 è integro, e uno stato di circuito aperto (secondo stato), quando l'elemento conduttivo di test 313 è interrotto, e determina di conseguenza che il corrispondente meccanismo bistabile 303 si trova rispettivamente nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile.

In una forma di realizzazione alternativa, illustrata in figura 12, le struttura conduttiva 311 sono collegate in serie. L'unità di lettura 12 ha due terminali collegati ad altrettante strutture conduttive 311 poste alle estremità della serie, in modo da formare un unico circuito elettrico comprendente tutti gli elementi conduttivi di test 313. In questo caso, si perde l'informazione sul singolo meccanismo bistabile 303, a vantaggio però di una maggiore semplicità nella realizzazione delle connessioni.

Con riferimento nuovamente alle figure 9 e 10, il sensore d'urto 300 include inoltre una massa ausiliaria 315, che è mobile rispetto al corpo di supporto 302 e ai meccanismi bistabili 303 e funge da organo attuatore per i meccanismi bistabili 303 stessi. Più precisamente, la massa ausiliaria 315 è vincolata al corpo di supporto 302 mediante un ancoraggio 317 centrale ed elementi elastici di sospensione 319, configurati in modo da lasciare alla massa ausiliaria 315 un primo e un secondo grado di libertà traslatorio rispetto al corpo di supporto 302 rispettivamente in accordo al primo asse di rilevamento X e al secondo asse di rilevamento Y.

Nella posizione di riposo, è presente un gioco fra i lati della massa ausiliaria 315 e i meccanismi bistabili 303 rispettivamente adiacenti. In alternativa, i lati della massa ausiliaria 315 possono essere in contatto con i rispettivi meccanismi bistabili 303.

Nella forma di realizzazione descritta, una singola massa ausiliaria 315 opera vantaggiosamente come meccanismo attuatore per tutti i meccanismi bistabili 303, ai quali non è direttamente vincolata, e consente di rilevare urti lungo assi di rilevamento indipendenti e in direzioni opposte. Nel complesso, è possibile ottenere un ulteriore risparmio di area.

Secondo la forma di realizzazione illustrata nelle figure 13 e 14, un sensore d'urto 400 comprende un corpo di supporto 402, un meccanismo bistabile 403, un dispositivo di rilevamento 405 e una massa ausiliaria 415.

Il meccanismo bistabile 403 comprende una membrana elastica 403a di materiale semiconduttore, disposta a copertura di un recesso 406 ricavato nel corpo di supporto 402. In una forma di realizzazione, la membrana elastica 403a è isolata elettricamente dal corpo di supporto 402 ed è capacitivamente accoppiata alla massa ausiliaria 415, che definisce un elettrodo di rilevamento. Un ulteriore elettrodo di rilevamento è realizzato sul fondo del recesso 406. L'ulteriore elettrodo di rilevamento può essere definito da una parete di fondo 408 del recesso 406, come nell'esempio illustrato, oppure da un elettrodo metallico o semiconduttore formato sulla parete di fondo 408 del recesso 406 e da questa elettricamente isolato.

In una seconda configurazione esemplificata, dal punto di vista del processo di fabbricazione, si può eliminare l'elettrodo inferiore.

La membrana elastica 403a è ad esempio, ma non necessariamente, di forma circolare e ha un bordo periferico vincolato al corpo di supporto 402, al margine del recesso 406. In una forma di realizzazione, tutto il bordo periferico della membrana elastica 403a è collegato al corpo di supporto 402. In alternativa, il bordo periferico della membrana elastica 403a è collegato al corpo di supporto 402 solo per alcuni tratti, in modo che regioni di estremità diametralmente opposte sono vincolate al corpo di supporto 402.

La membrana elastica 403a presenta forma a campana nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile. Più precisamente, nella prima configurazione meccanica stabile la membrana elastica 403a presenta una prima concavità rivolta verso il recesso 406, mentre nella seconda configurazione meccanica stabile la membrana elastica 403a presenta una seconda concavità rivolta in direzione opposta al recesso 406.

Il dispositivo di rilevamento 405 è accoppiato al meccanismo bistabile 403 e ha un primo stato, quando il meccanismo bistabile 403 è nella prima configurazione meccanica stabile, e un secondo stato, quando il meccanismo bistabile 403 è nella seconda configurazione meccanica stabile. Nella forma di realizzazione qui descritta, il dispositivo di rilevamento 405 comprende un condensatore 409, formato della membrana elastica 403a e da almeno la parete di fondo 408 del recesso 406, un condensatore 409', formato della membrana elastica 403a e dalla massa ausiliaria 415, e un'unità di lettura 412. Il condensatore 409 ha capacità che dipende dalla distanza fra la membrana elastica 403a e la parete di fondo del recesso 406. Di conseguenza, il condensatore 409 ha una prima capacità CI (figura 11) nella prima configurazione meccanica stabile e una seconda capacità C2 (figura 12) nella seconda configurazione meccanica stabile. Il condensatore 409' ha capacità che dipende dalla distanza fra la membrana elastica 403a e la massa ausiliaria 415. Di conseguenza, il condensatore 409' ha una prima capacità C1' (figura 11) nella prima configurazione meccanica stabile e una seconda capacità C2' (figura 12) nella seconda configurazione meccanica stabile (in entrambi i casi, con la massa ausiliaria 415 a riposo).

L'unità di rilevamento 412 ha terminali collegati a rispettivi terminali del condensatore 409, ossia, nella forma di realizzazione descritta, alla membrana elastica 403a e al corpo di supporto 402. Analogamente, L'unità di rilevamento 412 ha terminali collegati a rispettivi terminali del condensatore 409', ossia, nella forma di realizzazione descritta, alla membrana elastica 403a e alla massa ausiliaria 415. In particolare, la connessione con la massa ausiliaria 415 può essere ottenuta attraverso ancoraggi 417 ed elementi elastici di sospensione 419 con cui la massa ausiliaria 415 è vincolata al corpo di supporto 402.

L'unità di rilevamento 412 è inoltre configurata per effettuare una lettura di capacità e riconoscere in quale configurazione meccanica stabile si trova il meccanismo bistabile 403 in base al valore di capacità letto (C1 per il primo stato e C2 per il secondo stato).

Gli ancoraggi 417 e gli elementi elastici di sospensione 419 sono configurati in modo da lasciare alla massa ausiliaria 415 un grado di libertà traslatorio relativamente al corpo di supporto 402. In particolare, la massa ausiliaria 415 è vincolata in modo da oscillare attorno a una posizione di riposo lungo un asse di rilevamento Z, che è perpendicolare alla membrana elastica 403a e a una faccia del corpo di supporto 402 adiacente alla massa ausiliaria 415.

Convenientemente, il corpo di supporto 402 e la membrana elastica 403a possono essere ricavati da una prima fetta semiconduttrice e la massa ausiliaria 415 con gli ancoraggi 417 possono essere ricavati da una seconda fetta semiconduttrice, unita alla fetta semiconduttrici dopo fasi preliminari di lavorazione.

Quando il sensore d'urto subisce una sollecitazione meccanica (un urto appunto) , la massa ausiliaria 415 oscilla lungo l'asse di rilevamento Z e imprime alla membrana elastica 403a una forza d'urto che è proporzionale all'intensità della decelerazione subita. Se la forza d'urto trasmessa dalla massa ausiliaria 415 supera una soglia di forza, la membrana elastica 403a passa dalla prima configurazione meccanica stabile, in cui si trova inizialmente, alla seconda configurazione meccanica stabile, altrimenti torna nella prima configurazione meccanica stabile dopo essersi temporaneamente deformata.

La figura 15 mostra un'ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione. In questo caso, un sensore d'urto 500 comprende un corpo di supporto 502, meccanismi bistabili 503, un dispositivo di rilevamento 505 e una massa ausiliaria 515.

La massa ausiliaria 515 è vincolata al corpo di supporto 502 mediante un ancoraggio 517 centrale ed elementi elastici di sospensione 519, configurati in modo da lasciare alla massa ausiliaria 515 un grado di libertà rotatorio rispetto al corpo di supporto 502. In particolare, la massa ausiliaria 515 è vincolata in moto da oscillare attorno a un asse Ω passante per il baricentro della massa ausiliaria 515 stessa, che in questo caso coincide con il centro dell'ancoraggio 517.

I meccanismi bistabili 503 sono realizzati sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure 1 e 2, comprendono rispettivi elementi elastici a lamina 503a, 503b con rispettivi elementi appuntiti 510 e sono disposti adiacenti a rispettivi vertici della massa ausiliaria 515. In particolare, i meccanismi bistabili 503 sono disposti in due coppie simmetriche rispetto all'asse di rilevamento Ω, in modo che i meccanismi bistabili 503 di una prima coppia sono sollecitati quando la massa ausiliaria 515 ruota in senso orario e i meccanismi bistabili 503 di una seconda coppia sono sollecitati quando la massa ausiliaria 515 ruota in senso antiorario.

Il dispositivo di rilevamento 505 comprende strutture conduttive 511, accoppiate ciascuna a un rispettivo meccanismo bistabile 503, e un'unità di lettura 512. Le strutture conduttive 511 sono realizzate in silicio policristallino e comprendono porzioni strutturali 511a, fissate al corpo di supporto 502 e affacciate ai rispettivi meccanismi bistabili 503. Le porzioni strutturali 511a di ciascuna struttura conduttiva 511 sono colleqate fra loro da un rispettivo elemento conduttivo di test 513. In ciascuna struttura conduttiva 511, l'elemento conduttivo di test 513 è affacciato alla porzione centrale del rispettivo meccanismo bistabile 503, dove si trova l'elemento appuntito 510. Inoltre, l'elemento conduttivo di test 513 è posto a una distanza dal rispettivo meccanismo bistabile 503 tale per cui l'elemento appuntito 510 penetra attraverso l'elemento conduttivo di test 513 stesso in modo da determinarne la rottura, quando il meccanismo bistabile 503 commuta dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile.

Con riferimento alle figure 16 e 17, un sensore d'urto 600 comprende un corpo di supporto 602, un meccanismo bistabile 603 e un dispositivo di rilevamento 605 accoppiato al meccanismo bistabile 603.

Il meccanismo bistabile 603 comprende un elemento elastico a lamina 603a, che fa parte anche del dispositivo di rilevamento 605. Oltre all'elemento elastico a lamina 603a del meccanismo bistabile 603, il dispositivo di rilevamento 605 comprende un elemento di arresto 609 e un'unità di lettura 612.

Il meccanismo bistabile 603 ha una prima configurazione meccanica stabile e una seconda configurazione meccanica stabile. L'elemento elastico a lamina 603a ha estremità fissate a una superficie del corpo di supporto 202 mediante ancoraggi 207 e per il resto è mobile parallelamente alla superficie del corpo di supporto 202 fra la prima configurazione meccanica stabile e la seconda configurazione meccanica stabile.

Nella prima configurazione meccanica stabile, l'elemento elastico a lamina 603a presenta forma arcuata e definisce una prima concavità aperta in direzione opposta alla massa ausiliaria 615. Nella seconda configurazione meccanica stabile (illustrata a tratteggio in figura 16), l'elemento elastico a lamina 603a è appoggiato sull'elemento di arresto 609 e presenta ancora forma almeno a tratti arcuata, con almeno una seconda concavità aperta verso la massa ausiliaria 615 (indicata a tratteggio in figura 16).

Nel dispositivo di rilevamento 605, l'elemento di arresto 609 comprende un elemento appuntito 610 rivolto verso l'elemento elastico a lamina 603a. Più precisamente, l'elemento appuntito 610 è disposto in modo da causare la rottura dell'elemento elastico a lamina 603a durante la transizione (non frenata) dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile per effetto dell'energia elastica rilasciata durante la transizione stessa.

Si noti in proposito che la seconda configurazione meccanica stabile è in pratica raggiungibile senza sacrificare l'elemento elastico a lamina 603a solo applicando una forza frenante (ad esempio una forza elettrostatica controllata) per attenuare le sollecitazioni nel contatto contro l'elemento di arresto 609. Si intende tuttavia che la seconda configurazione meccanica stabile è a tutti gli effetti una configurazione stabile possibile, anche se di fatto in uso non viene raggiunta perché la transizione (non frenata) causa la rottura dell'elemento elastico a lamina 603a. La transizione dalla prima configurazione meccanica stabile verso la seconda configurazione meccanica stabile modifica il meccanismo bistabile, che assume una nuova configurazione meccanica stabile (diversa dalla prima configurazione meccanica stabile e dalla seconda configurazione meccanica stabile) , nella quale l'elemento elastico a lamina 603a è interrotto.

L'unità di lettura 612 ha terminali collegati all'elemento elastico a lamina 603a in modo da formare un circuito elettrico aperto o chiuso secondo che il meccanismo bistabile si trovi nella prima configurazione meccanica stabile (con l'elemento elastico a lamina 603a integro, figura 16) o meno (con l'elemento elastico a lamina 603a che si è rotto durante la transizione verso la seconda configurazione meccanica stabile, figura 17). L'unità di lettura 612 è inoltre configurata per riconoscere se il meccanismo bistabile 603 si trovi o meno nella prima configurazione meccanica stabile, in base allo stato del circuito includente l'elemento elastico a lamina 603a .

In figura 18 è illustrato un sistema elettronico 1000, incorporante un sensore d'urto 1001 in accordo a una delle forme di realizzazione descritte. Ad esempio, il sensore d'urto 1001 è del tipo illustrato nelle figure 9-11.

Il sistema elettronico 1000 può essere un dispositivo elettronico di qualsiasi tipo, in particolare portatile e alimentato autonomamente, come, ad esempio e non limitativamente, un telefono cellulare, un calcolatore portatile, una videocamera, una fotocamera, un lettore multimediale, un apparecchio portatile per videogiochi, un' interfaccia utente attivata da movimento per calcolatori o console per videogiochi, un dispositivo di navigazione satellitare. Nella forma di realizzazione di figura 16, il sistema elettronico 1000 è un telefono cellulare.

Il sistema elettronico 1000 comprende inoltre un involucro 1002, a cui il sensore d'urto 1001 è rigidamente accoppiato, un'unità di controllo 1005, un modulo di memoria 1006, un modulo di comunicazione RF 1007 accoppiato a un'antenna 1008, uno schermo 1010, un modulo audio 1011, un dispositivo di ripresa 1012, una porta di connessione seriale 1013, ad esempio una porta USB, e una batteria 1015 per l'alimentazione autonoma. Si noti che l'ambito della presente invenzione non è limitato a forme di realizzazione aventi necessariamente specificamente uno dei dispositivi elencati o tutti nel loro insieme.

Al sensore d'urto e al metodo descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall'ambito della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, i meccanismi bistabili possono avere configurazione diversa da quelle descritte e, in particolare, possono essere basati su sistemi di tre o più elementi elastici, eventualmente collegati con uno o più elementi a ponte.

La massa ausiliaria potrebbe non avere configurazione quadrangolare. Ad esempio, la massa ausiliaria potrebbe avere sei facce o più il sensore d'urto potrebbe comprendere un meccanismo bistabile per ciascuna faccia della massa ausiliaria per aumentare l'isotropia della risposta nel piano).

Sensori d'urto comprendenti una pluralità di meccanismi bistabili possono essere realizzati utilizzando qualsiasi tipo di meccanismo bistabile e di corrispondente dispositivo di rilevamento fra quelli descritti. Nel caso venga utilizzato un dispositivo di rilevamento di tipo capacitivo, i condensatori formati dai meccanismi bistabili e dai corrispondenti elettrodi del dispositivo di rilevamento possono essere letti individualmente oppure collegati fra loro in parallelo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sensore d'urto comprendente: un corpo di supporto (2; 102; 202; 302; 402; 502; 602); un meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603), configurato per commutare da una prima configurazione meccanica stabile a una seconda configurazione meccanica stabile in risposta a una forza d'urto applicata lungo un asse di rilevamento (A; X, Y; Z; Ω) e tale da fornire al meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603) una quantità di energia superiore a un'energia di transizione; un dispositivo di rilevamento (5; 105; 205; 305; 405; 505; 605), accoppiato al meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603) e avente un primo stato, quando il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603) è in una configurazione meccanica stabile iniziale, e un secondo stato, dopo che il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603) ha effettuato una transizione dalla configurazione meccanica stabile iniziale a una configurazione meccanica stabile finale; in cui il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503) comprende almeno un elemento elastico (3a, 3b; 103a, 103b; 203a; 303a, 303b; 403; 503a, 503b), vincolato al corpo di supporto (2; 102; 202; 302; 402; 502) in almeno due opposte regioni periferiche e definente una prima concavità nella prima configurazione meccanica stabile e una seconda concavità, opposta alla prima concavità, nella seconda configurazione meccanica stabile.
2. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 1, in cui: il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503) è adiacente ad almeno una porzione del dispositivo di rilevamento (5; 105; 205; 305; 405; 505); la prima concavità è aperta su un lato dell'elemento elastico (3a, 3b; 103a, 103b; 203a; 303a, 303b; 403; 503a, 503b) rivolto verso il dispositivo di rilevamento (5; 105; 205; 305; 405; 505); e la seconda concavità è aperta su un lato dell'elemento elastico (3a, 3b; 103a, 103b; 203a; 303a, 303b; 403; 503a, 503b) opposto al dispositivo di rilevamento (5; 105; 205; 305; 405; 505).
3. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente una massa ausiliaria (14; 15; 115; 215; 315; 415; 515; 615) cooperante con il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603) per commutare il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603) dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile in risposta a una forza d'urto fornente una quantità di energia superiore all'energia di transizione.
4. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 3, in cui la massa ausiliaria (14) è rigidamente collegata al meccanismo bistabile (3).
5. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 3, in cui la massa ausiliaria (15; 115; 215; 315; 415; 515; 615) è mobile rispetto al corpo di supporto (2; 102; 202; 302; 402; 502; 602) e al meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503; 603).
6. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 5, in cui la massa ausiliaria (15; 115; 215; 315; 415; 515; 615) è collegata al corpo di supporto (2; 102; 202; 302; 402; 502; 602) mediante elementi elastici di sospensione (19; 119; 219; 319; 419; 519; 619) configurati in modo da lasciare alla massa ausiliaria (15; 115; 215; 315; 415; 515; 615) almeno un grado di libertà rispetto al corpo di supporto (2; 102; 202; 302; 402; 502; 602) in accordo all'asse di rilevamento (A; X, Y; Z; Ω) .
7. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 6, in cui gli elementi elastici di sospensione (319) sono configurati in modo da lasciare alla massa ausiliaria (315) un primo grado di libertà e un secondo grado di libertà rispetto al corpo di supporto (302) in accordo rispettivamente a un primo asse di rilevamento (X) e a un secondo asse di rilevamento (Y) indipendenti.
8. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, comprendente almeno due primi meccanismi bistabili (303, X), disposti adiacenti a rispettivi lati opposti della massa ausiliaria (315) in modo da essere attivabili da oscillazioni della massa ausiliaria (315) in versi opposti.
9. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 8 dipendente dalla rivendicazione 7, comprendente due secondi meccanismi bistabili (303, Y), disposti adiacenti a rispettivi lati opposti della massa ausiliaria (315) in modo da essere attivabili da oscillazioni della massa ausiliaria (315) in versi opposti; in cui i primi meccanismi bistabili (303, X) sono attivabili da oscillazioni della massa ausiliaria (315) in versi opposti in accordo al primo asse di rilevamento (X) e i secondi meccanismi bistabili (303, Y) sono attivabili da oscillazioni della massa ausiliaria (315) in versi opposti in accordo al secondo asse di rilevamento (Y).
10. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, comprendente un primo e un secondo meccanismo bistabile (503), disposti adiacenti alla massa ausiliaria (515) in modo che il primo meccanismo bistabile è attivabile da oscillazioni della massa ausiliaria (515) attorno all'asse di rilevamento (Ω) in senso orario e il secondo meccanismo bistabile è attivabile da oscillazioni della massa ausiliaria (515) attorno all'asse di rilevamento (Ω) in senso antiorario.
11. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento elastico è un elemento elastico a lamina (3a, 3b; 103a, 103b; 203a; 303a, 303b; 503a, 503b; 603a) , definito da una trave flessibile di materiale semiconduttore, di forma arcuata nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile e avente opposte estremità fissate al corpo di supporto (2; 102; 202; 302; 402; 502; 602) .
12. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 11, in cui il meccanismo bistabile (3; 103; 303; 503) comprende almeno un primo elemento elastico a lamina (3a; 103a; 303a; 503a) e un secondo elemento elastico a lamina (3b; 103b; 303b; 503b) , definiti da rispettive travi flessibili di materiale semiconduttore, di forma arcuata nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile e aventi rispettive opposte estremità fissate al corpo di supporto (2; 102; 302; 402; 502).
13 Sensore d'urto secondo la rivendicazione 12, in cui il meccanismo bistabile (3; 103; 303; 503) comprende almeno un elemento a ponte (8; 108; 308; 508) collegante il primo elemento elastico a lamina (3a; 103a; 303a; 503a) e il secondo elemento elastico a lamina ( 3b; 103b; 303b; 503b).
14. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento elastico comprende una membrana elastica (403a), di materiale semiconduttore, disposta a copertura di un recesso (406) nel corpo di supporto (402).
15. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 14, in cui la membrana elastica (403a) ha un bordo periferico vincolato al corpo di supporto (402), a un margine del recesso (406) .
16. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui la membrana elastica (403a) presenta forma a campana nella prima configurazione meccanica stabile e nella seconda configurazione meccanica stabile.
17. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui: il dispositivo di rilevamento (5; 305) comprende una struttura conduttiva (11; 311); il meccanismo bistabile (3; 303) comprende un elemento appuntito (10; 310), portato dall'elemento elastico (3b; 303b) ; e la struttura conduttiva (11; 311) è disposta in modo che l'elemento appuntito (10; 310) causa la rottura della struttura conduttiva (11; 311), quando il meccanismo bistabile (3; 303) commuta dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile .
18. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 17, in cui l'elemento appuntito (10; 310) è disposto in una regione dell'elemento elastico (3b; 303b) che presenta la massima escursione fra la prima configurazione meccanica stabile e la seconda configurazione meccanica stabile.
19. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 18, in cui la struttura conduttiva (11; 311) comprende porzioni strutturali (11a) collegate fra loro da un elemento conduttivo di test (13), sospeso sul corpo di supporto (2; 312) e affacciato al meccanismo bistabile (3) una distanza tale per cui l'elemento appuntito (10) penetra attraverso l'elemento conduttivo di test (13) in modo da determinarne la rottura, quando il meccanismo bistabile (3) commuta dalla prima configurazione meccanica stabile alla seconda configurazione meccanica stabile.
20. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 18 o 19, in cui il dispositivo di rilevamento (5; 305) comprende un'unità di lettura (12; 212) configurata per determinare lo stato del dispositivo di rilevamento (5; 305) in base a un valore di resistenza della struttura conduttiva (11; 311).
21. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16, in cui la struttura conduttiva (111; 403a, 408) comprende una struttura di elettrodo (111a; 408) capacitivamente accoppiata all'elemento elastico (103a; 403a), in modo che una capacità fra la struttura di elettrodo (111a; 408) e l'elemento elastico (103a; 403a) abbia un primo valore (C1) nel primo stato e un secondo valore (C2), diverso dal primo valore (C1), nel secondo stato.
22. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 18 o 19, in cui il dispositivo di rilevamento (105; 405) comprende un'unità di lettura (112; 412) configurata per determinare lo stato del dispositivo di rilevamento (105; 405) in base a un valore di capacità della struttura conduttiva (111; 403a, 408).
23. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un elemento di arresto (609) disposto e configurato in modo causare la rottura dell'elemento elastico (603a) durante la transizione del meccanismo bistabile (603) dalla configurazione meccanica stabile iniziale alla configurazione meccanica stabile finale; in cui il dispositivo di rilevamento (605) comprende un'unità di lettura (612) configurata per determinare lo stato del dispositivo di rilevamento (605) in base a un valore di resistenza dell'elemento elastico (603a).
24. Sensore d'urto secondo la rivendicazione 23, in cui la configurazione meccanica stabile iniziale è la prima configurazione meccanica stabile e la configurazione meccanica stabile finale è determinata dalla rottura dell'elemento elastico (603a) ed è diversa dalla seconda configurazione meccanica stabile.
25. Sensore d'urto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 22, in cui la configurazione meccanica stabile iniziale è la prima configurazione meccanica stabile e la configurazione meccanica stabile finale è la seconda configurazione meccanica stabile.
26. Sistema elettronico comprendente un'unità di controllo (1005) e un sensore d'urto (1001) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti accoppiato all'unità di controllo (1005).
27. Metodo per rilevare urti comprendente: disporre un meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503) in una configurazione meccanica stabile iniziale, selezionata fra una prima configurazione meccanica stabile e una seconda configurazione meccanica stabile; e determinare se il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503) è nella configurazione meccanica stabile iniziale o in una configurazione meccanica stabile finale; in cui il meccanismo bistabile (3; 103; 203; 303; 403; 503) comprende almeno un elemento elastico (3a, 3b; 103a, 103b; 203a; 303a, 303b; 403; 503a, 503b), vincolato a un corpo di supporto (2; 102; 202; 302; 402; 502) in almeno due opposte regioni periferiche e definente una prima concavità nella prima configurazione meccanica iniziale e una seconda concavità, opposta alla prima concavità, nella seconda configurazione meccanica stabile.
28. Metodo secondo la rivendicazione 27, in cui determinare se il meccanismo bistabile (3) è nella configurazione meccanica stabile iniziale o nella configurazione meccanica stabile finale comprende: disporre una struttura conduttiva (11) adiacente all'elemento elastico (3b), in modo che la transizione del meccanismo bistabile dalla configurazione meccanica stabile iniziale alla configurazione meccanica stabile finale causi un'interruzione della struttura conduttiva (11); e verificare l'integrità della struttura conduttiva (11)·
29. Metodo secondo la rivendicazione 27, in cui determinare se il meccanismo bistabile (103; 403) è nella configurazione meccanica stabile iniziale o nella configurazione meccanica stabile finale comprende: accoppiare capacitivamente una struttura di elettrodo (111a; 408) e l'elemento elastico (103b; 403a); rilevare un valore di capacità (C1, C2) fra la struttura di elettrodo (111a; 408) e l'elemento elastico (103b; 403a).