ITTO20120855A1 - Struttura integrata di rilevamento risonante di accelerazione e velocita' angolare e relativo dispositivo sensore mems - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“STRUTTURA INTEGRATA DI RILEVAMENTO RISONANTE DI ACCELERAZIONE E VELOCITA' ANGOLARE E RELATIVO DISPOSITIVO SENSORE MEMSâ€

La presente invenzione si riferisce ad una struttura integrata di rilevamento risonante di accelerazione e velocità angolare, e ad un relativo dispositivo sensore di tipo microelettromeccanico (cosiddetto “MEMS†- Micro Electro Mechanical System).

Come noto, accelerometri e giroscopi MEMS vengono proposti ed impiegati, grazie alle loro dimensioni estremamente compatte, ridotti consumi e buone prestazioni elettriche, per svariati ambiti di applicazione, ad esempio nell’ambito degli apparecchi elettronici portatili, per applicazioni di navigazione inerziale, per la realizzazione di interfacce utente o in generale per il rilevamento di spostamenti nello spazio tridimensionale.

In particolare, sono stati proposti micro-sensori risonanti, realizzati mediante la tecnica del “surface micromachining†(o microlavorazione di superficie), che basano il rilevamento di grandezze esterne sulla variazione di frequenza di uno o più elementi posti in risonanza. Il rilevamento risonante, rispetto ad altri principi di misura, ha il vantaggio di offrire una uscita di frequenza diretta, di tipo quasi-digitale, elevata sensibilità ed ampia gamma dinamica.

Negli accelerometri risonanti, l’accelerazione esterna da misurare produce uno spostamento rilevabile della frequenza di risonanza di uno o più elementi risonatori della struttura meccanica integrata di rilevamento; l’elemento risonatore può essere costituito da un’intera massa inerziale (massa di prova, o massa libera, cosiddetta “proof mass†) della struttura integrata di rilevamento, da una qualche sua parte, o da un elemento distinto, accoppiato alla stessa massa inerziale.

A seconda della configurazione della struttura integrata di rilevamento, la variazione della frequenza di risonanza può essere indotta dalla presenza, in seguito allo spostamento della massa inerziale, di sforzi assiali nell’elemento risonatore, o di variazioni della cosiddetta “rigidezza elettrica†(“electrical stiffness†) a cui lo stesso elemento risonatore à ̈ sottoposto.

Accelerometri risonanti, il cui principio di funzionamento si basa sul rilevamento di una variazione della frequenza di risonanza dovuta a sforzi assiali nell’elemento risonatore, sono ad esempio descritti nei seguenti documenti:

D.W. Bruns, R.D. Horning, W.R. Herb, J.D. Zook, H. Guckel “Resonant microbeam accelerometers†, Proc. Transducers 95, Stoccolma, Svezia, 25-29 giugno, 659-662 (1995); e

R. Zhu, G. Zhang, G. Chen “A novel resonant accelerometer based on nanoelectromechanical oscillator†, Proc MEMS 2010, Hong Kong, 440-443 (2010).

Accelerometri risonanti, il cui principio di funzionamento si basa invece sul rilevamento di una variazione della frequenza di risonanza dovuta ad una variazione di rigidezza elettrica, sono descritti ad esempio nei seguenti documenti:

B. Lee, C. Oh, S. Lee, Y. Oh, K. Chun, “A vacuum packaged differential resonant accelerometer using gap sensitive electrostatic stiffness changing effect†, Proc. MEMS 2000; e

H.C. Kim, S. Seok, I. Kim, S-D. Choi, K. Chun, “Inertial-grade out-of-plane and in-plane differential resonant silicon accelerometers (DRXLs)†, Proc. Transducers †̃05, Seoul, Corea, 5-9 giugno, 172-175 (2005).

Inoltre, nel brevetto IT 1 395 419 e nella domanda di brevetto italiano TO2011A000782 del 31/08/2011, a nome degli stessi richiedenti, sono stati descritti accelerometri risonanti perfezionati, per quanto riguarda le migliorate caratteristiche (in particolare la sensibilità) e le ridotte dimensioni meccaniche.

Nei giroscopi, generalmente, una massa inerziale viene fatta vibrare alla frequenza propria di risonanza e si misura l’effetto dovuto alla forza di Coriolis che nasce su uno o più elementi di rilevamento in presenza di una velocità angolare esterna.

In genere, il rilevamento viene effettuato mediante tecnica capacitiva, mentre esistono pochi esempi di microgiroscopi con rilevamento risonante, tra cui si possono citare ad esempio i seguenti documenti:

A.A. Seshia, R.T. Howe, S. Montague, “An integrated microelectromechanical resonant output gyroscope†, Proc.

MEMS2002, 722-726 (2002);

J. Li, J. Fang, H.Dong,Y. Tao. Structure design and fabrication of a novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope†, Microsyst. Technology, 16, 543-552.

In tali documenti, la forza di Coriolis genera sforzi assiali in elementi risonatori, che modificano di conseguenza la loro frequenza di risonanza, consentendo il rilevamento della velocità angolare.

Non sono invece ancora stati realizzati, a conoscenza dei presenti Richiedenti, micro-giroscopi che basino il loro principio di rilevamento su una variazione di frequenza di risonanza dovuta ad una variazione di rigidezza elettrica.

È nota inoltre la tendenza, finalizzata alla riduzione delle dimensioni ed all’ottimizzazione dell’occupazione di spazio, in particolar modo negli apparecchi portatili, verso l’integrazione di più strutture di rilevamento all’interno di uno stesso dispositivo integrato (cosiddetto “chip†); ad esempio, strutture di rilevamento a più assi di misura, oppure strutture di rilevamento di accelerazione integrate con strutture di rilevamento di velocità angolare.

Tuttavia, ad oggi, tali strutture integrate di rilevamento presentano tipicamente un certo numero di masse inerziali distinte per il rilevamento delle diverse grandezze esterne (accelerazioni e/o velocità angolari relative a rispettivi assi di misura), ed inoltre distinti elementi e circuiti di lettura.

In generale, à ̈ dunque sentita l’esigenza di ottimizzare tali strutture integrate di rilevamento, in particolare per quanto riguarda le caratteristiche elettriche e le dimensioni meccaniche, principalmente nel caso di applicazioni portatili in cui si richiedono consumi e dimensioni ridotti.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di soddisfare, almeno in parte, tale esigenza.

Secondo la presente invenzione, vengono pertanto forniti una struttura integrata di rilevamento risonante di accelerazione e velocità angolare, ed un relativo dispositivo sensore, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, puramente a titolo di esempi non limitativi e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1a mostra una vista in pianta schematica di una struttura integrata di rilevamento, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 1b mostra schematicamente una sezione laterale di una porzione della struttura integrata di rilevamento di figura 1a;

- la figura 2 mostra una vista in pianta semplificata della struttura integrata di rilevamento in una condizione operativa di rilevamento di una velocità angolare di imbardata;

- le figure 3a-3b mostrano, in vista in pianta e, rispettivamente, in sezione laterale, la struttura integrata di rilevamento in una condizione operativa di rilevamento di una velocità angolare di rollio;

- la figura 4 mostra una vista in pianta semplificata della struttura integrata di rilevamento in una condizione operativa di rilevamento di una accelerazione nel piano;

- le figure 5a-5b mostrano, in vista in pianta e, rispettivamente, in sezione laterale, la struttura integrata di rilevamento in una condizione operativa di rilevamento di una accelerazione fuori dal piano;

- la figura 6 Ã ̈ una vista in pianta maggiormente dettagliata di una forma di realizzazione della struttura integrata di rilevamento;

- la figura 7 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo sensore MEMS, in un apparecchio elettronico, incorporante la struttura integrata di rilevamento; e - la figura 8 Ã ̈ una vista in pianta schematica di una struttura integrata di rilevamento, secondo una ulteriore variante di realizzazione.

La figura 1a mostra una struttura di rilevamento, di tipo microelettromeccanico, indicata nel suo insieme con 1, per il rilevamento integrato di accelerazione e velocità angolare. La struttura integrata di rilevamento 1 à ̈ realizzata con le tecniche di microlavorazione superficiale dei semiconduttori, in particolare a partire da un corpo di materiale semiconduttore (quale il silicio).

La struttura integrata di rilevamento 1 comprende un’unica coppia di masse inerziali costituita da una prima e da una seconda massa inerziale 2, 2', a ciascuna delle quali sono accoppiati una rispettiva coppia di elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b' ed una rispettiva coppia di elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b' (si noti che in figura 1a, così come nelle seguenti, l’apice indica elementi associati alla seconda massa inerziale 2').

La struttura integrata di rilevamento 1 presenta un’estensione principale in un piano orizzontale xy, definito da un primo e da un secondo asse x, y, ed una dimensione sostanzialmente trascurabile (rispetto alle dimensioni nel piano orizzontale xy) in direzione ortogonale allo stesso piano orizzontale xy, lungo un asse verticale z, definente una terna di assi ortogonali con i suddetti primo e secondo asse x, y nel piano orizzontale. La struttura integrata di rilevamento 1 à ̈ inoltre perfettamente simmetrica rispetto ad un primo e ad un secondo asse mediano Mx, My, passanti per il suo centro geometrico e paralleli rispettivamente al primo ed al secondo asse x, y.

Data la simmetria della struttura, le masse inerziali 2, 2', e gli associati elementi risonatori, sono configurati in maniera speculare, così che la descrizione seguente verterà nel dettaglio soltanto su una prima delle due masse inerziali, in particolare la prima massa inerziale 2, essendo evidente che considerazioni del tutto analoghe si applicano anche nel caso della seconda delle due masse inerziali, in questo caso la seconda massa inerziale 2'.

In dettaglio, la prima massa inerziale 2 Ã ̈ ancorata ad un sottostante substrato (qui non illustrato, ad esempio un substrato di materiale semiconduttore, quale il silicio), in modo da essere sospesa al di sopra dello stesso substrato, con il piano orizzontale xy sostanzialmente parallelo ad una sua superficie superiore, in condizione di riposo (ovvero in assenza di grandezze esterne da rilevare).

In particolare, la prima massa inerziale 2 à ̈ accoppiata elasticamente ad una coppia di ancoraggi esterni 6a, 6b, disposti esternamente rispetto all’ingombro della stessa prima massa inerziale 2 nel piano orizzontale xy, lateralmente ad una certa distanza lungo il primo asse x ed il secondo asse y nel piano orizzontale xy; gli ancoraggi esterni 6a, 6b sono ad esempio costituiti da un rispettivo pilastro che si estende verticalmente fino a, ed à ̈ connesso meccanicamente al, substrato, e sono disposti simmetricamente rispetto al primo asse mediano Mx.

La prima massa inerziale 2 Ã ̈ collegata a ciascun ancoraggio esterno 6a, 6b mediante un rispettivo elemento elastico (o molla) 8a, 8b, ad esempio del tipo rettilineo o ripiegato; gli elementi elastici di ancoraggio 8a, 8b sono disposti tra loro in maniera simmetrica rispetto al primo asse mediano Mx.

In particolare, ciascun elemento elastico 8a, 8b ha una prima estremità ancorata (vincolata, o solidale) ad un rispettivo ancoraggio esterno 6a, 6b, ed una seconda estremità ancorata (vincolata, o solidale) ad una porzione interna 9 della prima massa inerziale 2 disposta in corrispondenza del primo asse mediano Mx; ciascun elemento elastico 8a, 8b presenta una prima porzione di molla, che si estende longitudinalmente parallela al primo asse x e affiancata lateralmente alla prima massa inerziale 2, ed à ̈ associata alla suddetta prima estremità, ed una seconda porzione di molla, che si estende longitudinalmente parallela al secondo asse y e disposta ad angolo retto rispetto alla prima porzione, a formare una “L†, ed à ̈ associata alla suddetta seconda estremità. La seconda porzione di molla si estende all’interno della prima massa inerziale 2, in un rispettivo recesso 10, che attraversa la stessa prima massa inerziale 2 per il suo intero spessore.

La prima massa inerziale 2 presenta una distribuzione di massa asimmetrica lungo il primo asse x rispetto alle seconde porzioni di molla degli elementi elastici di ancoraggio 8a, 8b, ed à ̈ vincolata in maniera eccentrica agli ancoraggi esterni 6a, 6b.

Gli elementi elastici di ancoraggio 8a, 8b sono nel complesso configurati (in particolare, in termini di rigidezza flessionale e torsionale) in modo da mantenere la prima massa inerziale 2 sospesa al di sopra del substrato, ed in modo tale che: il primo modo proprio della stessa prima massa inerziale 2 sia una traslazione lungo il secondo asse y; il secondo modo proprio sia una rotazione al di fuori del piano orizzontale xy, intorno ad un primo asse di rotazione A, parallelo al secondo asse y, che attraversa la suddetta porzione interna 9 ed à ̈ definito dall’asse di estensione longitudinale delle seconde porzioni di molla; ed il terzo modo proprio sia una traslazione lungo il primo asse x.

Gli elementi risonatori flessionali 3a, 3b associati alla prima massa inerziale 2, sono del tipo a trave, molto sottili (ovvero con larghezza molto minore della loro lunghezza), si estendono longitudinalmente in direzione parallela al secondo asse y, e sono disposti lateralmente alla prima massa inerziale 2 rispetto al primo asse x.

In particolare, ciascun elemento risonatore flessionale 3a, 3b à ̈ vincolato al substrato in corrispondenza di una prima estremità longitudinale, mediante un ancoraggio centrale 11, comune ad entrambi e disposto in corrispondenza del primo asse mediano Mx; ciascun elemento risonatore flessionale 3a, 3b à ̈ inoltre vincolato, in corrispondenza della sua seconda estremità longitudinale, ad un rispettivo elemento elastico 8a, 8b, in particolare alla relativa prima porzione dello stesso elemento elastico 8a, 8b, in stretta prossimità del relativo ancoraggio esterno 6a, 6b. Gli elementi risonatori flessionali 3a, 3b si estendono dunque dal punto di vincolo con il rispettivo elemento elastico 8a, 8b all’ancoraggio centrale 11, e sono accoppiati alla prima massa inerziale 2 per il tramite dello stesso elemento elastico 8a, 8b.

In particolare, la distanza, indicata con c, tra il punto di vincolo degli elementi risonatori flessionali 3a, 3b al rispettivo elemento elastico 8a, 8b ed il rispettivo ancoraggio esterno 6a, 6b à ̈ molto minore della lunghezza L della prima porzione dello stesso elemento elastico 8a, 8b, ad esempio essendo soddisfatta la relazione seguente:

0,01∙L < c < 0,1∙L (1)

Come descritto in dettaglio nel suddetto brevetto IT 1 395 419, la posizione di vincolo degli elementi risonatori flessionali 3a, 3b (molto prossima all’ancoraggio esterno 6a, 6b) à ̈ scelta in modo da massimizzare gli sforzi assiali negli stessi elementi risonatori a seguito di una traslazione della massa inerziale lungo il secondo asse y (come meglio dettagliato in seguito); si ottiene così un elevato fattore di amplificazione di forza senza ricorrere a sistemi di leve.

L’azionamento risonante degli elementi risonatori flessionali 3a, 3b ed il rilevamento dei risultanti segnali elettrici di risonanza avviene mediante accoppiamento capacitivo con elettrodi ad essi paralleli ed affacciati. In particolare, à ̈ presente un elettrodo di attuazione 12, comune ad entrambi gli elementi risonatori flessionali 3a, 3b, avente estensione lungo il secondo asse y sostanzialmente coincidente con la corrispondente estensione della prima massa inerziale 2, ed interposto, lungo il primo asse x, tra gli elementi risonatori flessionali 3a, 3b e la stessa prima massa inerziale 2; à ̈ inoltre presente, per ciascun elemento risonatore flessionale 3a, 3b, un rispettivo elettrodo di rilevamento 13a, 13b, ad esso affacciato da parte opposta del primo asse x rispetto all’elettrodo di attuazione 12, disposto lungo il secondo asse y tra il rispettivo ancoraggio esterno 6a, 6b e l’ancoraggio centrale 11.

Come sarà chiarito in seguito, l’elettrodo di attuazione 12 à ̈ inoltre funzionalmente accoppiato alla prima massa inerziale 2, per causarne l’azionamento in condizione di risonanza, in una direzione lineare, lungo il primo asse x.

Gli elementi risonatori torsionali 4a-4b sono costituiti da rispettive masse sospese, aventi dimensioni molto minori rispetto alla prima massa inerziale 2 nel piano orizzontale xy e forma quadrata (o genericamente rettangolare) in pianta, e sono disposti da parti opposte della porzione interna 9 della stessa prima massa inerziale 2 rispetto al primo asse di rotazione A, simmetricamente rispetto allo stesso primo asse di rotazione A.

In particolare, un primo elemento risonatore torsionale 4a della coppia à ̈ disposto internamente alla prima massa inerziale 2, all’interno di una prima finestra 14, realizzata attraverso una prima porzione della stessa prima massa inerziale 2 (così come suddivisa dalla porzione interna 9) avente maggiore estensione lungo il primo asse x; mentre un secondo elemento risonatore torsionale 4b della coppia à ̈ disposto in posizione laterale rispetto alla prima massa inerziale 2, all’interno di una seconda finestra 15, realizzata attraverso la seconda porzione della prima massa inerziale 2 avente minore estensione lungo il primo asse x e disposta in corrispondenza del centro di simmetria dell’intera struttura integrata di rilevamento 1.

In particolare, il secondo elemento risonatore torsionale 4b si trova alla massima distanza possibile dal primo asse di rotazione A, tale per cui una sua superficie laterale esterna si trovi a filo ed allineata lungo il secondo asse y ad una rispettiva superficie laterale della prima massa inerziale 2. La seconda finestra 15 à ̈ aperta verso l’esterno della prima massa inerziale 2, in corrispondenza della suddetta superficie laterale.

Come descritto in dettaglio nella suddetta domanda di brevetto TO2011A000782, tale posizione degli elementi risonatori torsionali 4a, 4b consente di massimizzare la sensibilità di rilevamento, mantenendo le dimensioni complessive estremamente ridotte.

Gli elementi risonatori torsionali 4a, 4b sono vincolati elasticamente alla prima massa inerziale 2 mediante rispettivi elementi elastici di supporto 16, di tipo torsionale, configurati in modo da consentire agli stessi elementi risonatori torsionali 4a, 4b un movimento di rotazione al di fuori del piano orizzontale xy, intorno ad un rispettivo secondo e terzo asse di rotazione B, C, paralleli al primo asse di rotazione A ed al secondo asse y; tale movimento costituisce il primo modo proprio per gli elementi risonatori torsionali 4a, 4b. Gli assi di rotazione B, C sono disposti da parti opposte del primo asse di rotazione A, simmetricamente allo stesso.

In maggiore dettaglio, ciascun elemento risonatore torsionale 4a, 4b à ̈ vincolato alla rispettiva porzione della prima massa inerziale 2 da una coppia di elementi elastici di supporto 16, costituiti da molle torsionali di tipo rettilineo o ripiegato, estendentisi generalmente lungo il secondo asse y, da parti opposte del rispettivo elemento risonatore torsionale 4a, 4b, sostanzialmente centralmente rispetto ad esso.

Facendo anche riferimento alla figura 1b, per ciascun elemento risonatore torsionale 4a, 4b à ̈ prevista una rispettiva coppia di elettrodi, ed in particolare un elettrodo di attuazione 17 ed un elettrodo di rilevamento 18, disposti al di sotto dello stesso elemento risonatore torsionale 4a, 4b, da parti opposte rispetto al relativo asse di rotazione B, C; gli elettrodi 17 e 18 sono disposti sul substrato della struttura integrata di rilevamento 1, indicato con 20 nella figura 1b.

L’elettrodo di attuazione 17 à ̈ utilizzato per azionare l’associato elemento risonatore torsionale 4a, 4b in condizione di risonanza, in rotazione intorno al rispettivo asse di rotazione B, C, mediante l’applicazione di un’opportuna differenza di potenziale elettrico, ed à ̈ disposto in posizione laterale più esterna rispetto al primo asse di rotazione A ed all’ingombro della prima massa inerziale 2 nel piano orizzontale xy. L’elettrodo di rilevamento 18 à ̈ invece utilizzato per rilevare, mediante una variazione dell’accoppiamento capacitivo con il relativo elemento risonatore torsionale 4a, 4b, variazioni della relativa frequenza di risonanza (secondo uno schema di rilevamento noto come “parallel plate†).

In maniera non illustrata, opportune piste di collegamento elettrico sono previste per il collegamento elettrico dei suddetti elettrodi 17, 18 ad un circuito elettronico accoppiato alla struttura integrata di rilevamento 1; tale circuito elettronico à ̈ configurato in modo da fornire i segnali elettrici di azionamento alla struttura integrata di rilevamento 1, e ricevere ed elaborare i segnali elettrici di rilevamento forniti dalla stessa struttura integrata di rilevamento 1.

Viene ora descritto il principio di funzionamento della struttura integrata di rilevamento 1, che consente il rilevamento integrato di velocità angolari intorno a due assi di rilevamento di velocità angolare e di accelerazioni lineari lungo due assi di rilevamento di accelerazione.

In particolare, mediante gli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b', la struttura di rilevamento integrata 1 consente il rilevamento differenziale di una velocità angolare agente intorno ad una direzione fuori dal piano orizzontale xy (in particolare lungo l’asse verticale z), cosiddetta velocità angolare di imbardata (yaw) Ωz, e di un’accelerazione lineare aylungo il secondo asse y; inoltre, mediante gli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', la struttura di rilevamento integrata 1 consente il rilevamento differenziale di una velocità angolare agente intorno al secondo asse y, cosiddetta velocità angolare di rollio (roll) Ωr, e di un’accelerazione lineare fuori dal piano az(agente lungo l’asse verticale z).

In dettaglio, e con riferimento alla figura 2 (in cui, per semplicità di illustrazione non sono riportati gli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b'), per il rilevamento della velocità angolare di imbardata Ωz, agente intorno all’asse verticale z, le masse inerziali 2, 2' vengono tenute in risonanza secondo il terzo modo proprio di movimento (ovvero, la traslazione lungo il primo asse x), mediante attuazione elettrostatica effettuata con il rispettivo elettrodo di attuazione 12, 12' (lungo la direzione della freccia in linea continua).

Quando viene applicata una velocità angolare esterna di imbardata Ωznascono sulle due masse inerziali 2, 2', rispettive forze di Coriolis Fcdirette lungo il secondo asse y, di verso opposto e con modulo:

Fc = 2 *m * Ωz* x (2)

dove x à ̈ la velocità lineare delle masse inerziali 2, 2' lungo il primo asse x, dovuta all’attuazione risonante ed m indica la loro massa.

Gli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b' sono tenuti in risonanza secondo il primo modo di flessione nel piano lungo il primo asse x, mediante interazione elettrostatica con gli stessi elettrodi di attuazione 12, 12' e, in assenza di velocità angolare esterna, hanno la stessa frequenza di oscillazione flessionale nominale f0.

Quando à ̈ applicata la velocità angolare di imbardata Ωz, per effetto delle forze di Coriolis Fc, gli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b' sono soggetti ad azione assiale: in particolare, due elementi risonatori flessionali (ad esempio, gli elementi risonatori flessionali 3a e 3b', indicati per semplicità in figura 2 con I e IV) sono soggetti ad uno sforzo di compressione, mentre gli altri due elementi risonatori flessionali (nell’esempio, gli elementi risonatori flessionali 3b e 3a', indicati per semplicità in figura 2 con II e III) sono soggetti ad uno sforzo di trazione della stessa intensità, N:

F

N = α * c

(3)

2

dove α rappresenta un fattore di amplificazione della forza, che può essere ottimizzato regolando il punto di vincolo (c, c') degli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b' rispetto ai relativi elementi elastici di ancoraggio 8a-8b, 8a'-8b', come discusso in precedenza. Adottando la stessa notazione utilizzata per indicare gli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b', vale pertanto la seguente espressione che lega gli sforzi assiali avvertiti dagli stessi elementi risonatori flessionali:

NII=NIII=-NI=-NIV. (4)

Di conseguenza, la frequenza di oscillazione degli elementi risonatori flessionali sottoposti a sforzo di compressione diminuisce, mentre la frequenza di oscillazione degli elementi risonatori flessionali sottoposti a sforzo di trazione aumenta, secondo la relazione:

(N ) h 2

f ï€1⁄2 f 0 1ï€«ï § (5)

E J

dove ï § à ̈ un coefficiente dipendente dalle condizioni di vincolo, h, J ed E sono rispettivamente la lunghezza, il momento d’inerzia ed il modulo elastico dell’elemento risonatore flessionale.

Combinando le letture dei quattro elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b', dall’equazione (5) linearizzata intorno alla frequenza di oscillazione flessionale nominale f0, si ottiene la seguente espressione (6) per la variazione di frequenza di risonanza flessionale Δf, che risulta proporzionale alla velocità angolare esterna di imbardata Ωz:

 1 h2 1 h 2  h 2 fIIIfIIï€fIï€fIVï‚»2f 0 1 ï §ï ¡mï —z x<>ï€ 1 ï §ï ¡mï —z x<>ï€1⁄2 2f 0ï §ï ¡mï — z x<>

ïƒ ̈ 2 E J 2 E  J

ïƒ ̧ E J (6)

Con riferimento alle figure 3a e 3b, viene ora discusso il funzionamento della struttura integrata di rilevamento 1 per il rilevamento della velocità angolare di rollio Ωrintorno al secondo asse y, mediante gli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b'.

Quando viene applicata una velocità angolare esterna di rollio Ωr, nascono sulle masse inerziali 2, 2' due forze di Coriolis, qui indicate con Fc' dirette lungo l’asse verticale z, di verso opposto e di modulo:

Fc' = 2 *m *Ωr* x (7)

come illustrato schematicamente nelle suddette figure 3a, 3b.

Per effetto di tali forze, gli elementi elastici di ancoraggio 8a-8b, 8a'-8b' delle due masse inerziali 2, 2' si deformano torsionalmente, consentendo la rotazione delle stesse masse inerziali intorno al rispettivo asse di rotazione A, A'. Data la disposizione delle masse inerziali 2, 2' e degli assi di rotazione A, A', la rotazione avviene nello stesso verso (ad esempio antiorario) per entrambe.

Gli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b' risultano solidalmente vincolati alla relativa massa inerziale 2, 2' in tale movimento di rotazione (per effetto delle caratteristiche dei relativi elementi elastici di supporto 16, 16'), e dunque subiscono, come mostrato schematicamente in figura 3b, un corrispondente spostamento lungo l’asse verticale z (si noti che in tale figura 3b, gli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b' sono mostrati in condizione di riposo, per semplicità di illustrazione, ma si intende che la loro oscillazione di risonanza sia comunque presente in maniera continuativa).

In particolare, un primo elemento risonatore, ad esempio il primo elemento risonatore 4a (nel caso della prima massa inerziale 2, indicato per semplicità anche con †̃1’) ed il secondo elemento risonatore 4b' (nel caso della seconda massa inerziale 2', qui indicato per semplicità anche con †̃4’), si avvicinano al substrato 20 (ed agli elettrodi di rilevamento 18, 18' disposti su di esso), mentre l’altro elemento risonatore, in particolare il secondo elemento risonatore 4b (nel caso della prima massa inerziale 2, qui indicato per semplicità con †̃2’) ed il primo elemento risonatore 4a' (nel caso della prima massa inerziale 2, qui indicato per semplicità con †̃3’), si allontanano dallo stesso substrato 20 (e dagli elettrodi di rilevamento 18, 18' disposti su di esso).

La frequenza di risonanza torsionale nominale φ0degli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b' si può esprimere mediante la seguente espressione:

1 K ï€ K

ï ª m e

0ï€1⁄2 (8)

2ï ° J p

dove Kmà ̈ la rigidezza meccanica rotazionale, Jpà ̈ il momento d’inerzia polare della massa risonante e Keà ̈ la rigidezza torsionale elettrica.

Quest’ultima, presente a causa dell’attuazione capacitiva ed inversamente proporzionale al cubo della distanza tra gli elettrodi, cresce dunque negli elementi risonatori torsionali †̃1’ e †̃4’ e diminuisce negli elementi risonatori torsionali †̃2’ e †̃3’.

Pertanto, la frequenza di risonanza torsionale φ1, φ4degli elementi risonatori torsionali †̃1’ e †̃4’ diminuisce, mentre la frequenza di risonanza torsionale φ2, φ3degli elementi risonatori torsionali †̃2’ e †̃3’ cresce in maniera corrispondente.

Combinando le letture dei quattro elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', si ottiene dunque la seguente espressione per la variazione di frequenza di risonanza torsionale Δφ, che risulta proporzionale alla velocità angolare di rollio Ωr:

Δφ = φ2- φ1+ φ3- φ4(9)

Il principio di funzionamento della struttura integrata di rilevamento 1 come accelerometro à ̈ il seguente.

In presenza di un’accelerazione lineare esterna aylungo il secondo asse y, come mostrato schematicamente in figura 4 (in cui nuovamente non sono riportati gli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', per ragioni di semplicità illustrativa), le masse inerziali 2, 2' sono soggette a forze d’inerzia Fadirette nello stesso verso del secondo asse y, dello stesso segno, e di modulo pari a:

Fa= m∙ay(10)

Per effetto delle forze di inerzia Fa, gli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b' sono nuovamente soggetti a sforzi assiali, ma in questo caso, a differenza di quanto accade in presenza di velocità angolare di imbardata Ωz, tali sforzi assiali sono dello stesso segno (nell’esempio di figura 4, sono sforzi di trazione) per gli elementi risonatori flessionali I e III, così come sono dello stesso segno (nell’esempio sono sforzi di compressione) per gli elementi risonatori flessionali II e IV. Il modulo di tali sforzi à ̈ inoltre espresso dalla seguente espressione:

F

N = α * a

(11)

2

e risulta inoltre valida la seguente espressione che lega gli sforzi assiali avvertiti dagli elementi risonatori flessionali:

NI=NIII=-NII=-NIV(12)

Combinando le letture dei quattro elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b', a partire nuovamente dall’equazione (5) linearizzata attorno alla frequenza di oscillazione flessionale nominale f0, si può ottenere in questo caso la seguente espressione (13) per la variazione di frequenza di risonanza flessionale, qui indicata con Δf', che risulta proporzionale all’accelerazione lineare ay:

 1 h2 1 h 2  h 2 fIfIIIï€fIIï€fIVï‚»2f 0 1 ï §ï ¡ may ï€ 1 ï §ï ¡ may

ïƒ ̈ 4 E J 4 E Jï€1⁄2f 0ï §ï ¡ ma y ïƒ ̧ E  J (13)

Si noti dunque come, tramite una differente combinazione delle grandezze fornite dagli stessi elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b', sia possibile rilevare entrambe le grandezze esterne, la velocità angolare di imbardata Ωze l’accelerazione lineare aylungo il secondo asse y; infatti, si verificano differenti spostamenti della frequenza di risonanza negli elementi risonatori flessionali di almeno una coppia, in funzione della presenza della velocità angolare di imbardata Ωzo dell’accelerazione lineare ay.

Per il rilevamento dell’accelerazione lineare azagente lungo l’asse verticale z vengono impiegati gli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', in analogia a quanto discusso per il rilevamento della velocità angolare di rollio Ωr.

In dettaglio, in presenza dell’accelerazione lineare az, come mostrato schematicamente nelle figure 5a, 5b, nascono sulle due masse inerziali 2, 2' due forze di inerzia, qui indicate con Fa', dirette lungo l’asse verticale z, aventi in questo caso lo stesso verso.

Per effetto di tali forze di inerzia Fa', le masse inerziali 2, 2' ruotano intorno ai rispettivi assi di rotazione A, A', una in senso antiorario (nell’esempio di figura 5a la prima massa inerziale 2), e l’altra in senso orario (nell’esempio, la seconda massa inerziale 2').

In questo caso, quindi, si verificano variazioni di frequenza dello stesso segno negli elementi risonatori torsionali †̃1’ e †̃3’, e negli elementi risonatori torsionali †̃2’ e †̃4’.

Combinando le letture dei quattro elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', si ottiene dunque la seguente espressione per la variazione di frequenza di risonanza torsionale, qui indicata con Δφ', che risulta proporzionale alla accelerazione lineare azil cui valore deve essere rilevato:

Δφ' = φ2- φ1+ φ4- φ3(14)

Si noti dunque nuovamente che, tramite una differente combinazione delle grandezze fornite dagli stessi elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', à ̈ possibile rilevare entrambe le grandezze esterne, la velocità angolare di rollio Ωre l’accelerazione lineare azlungo l’asse verticale z.

La figura 6 illustra una vista dall’alto maggiormente dettagliata (cosiddetto “layout†) di una forma di realizzazione della struttura integrata di rilevamento, nuovamente indicata con 1, in cui si può tra l’altro notare la presenza di fori praticati attraverso l’intero spessore delle masse inerziali 2, 2' e degli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', al fine di consentirne il rilascio rispetto al substrato 20 per attacco chimico di regioni di materiale sottostanti.

Si possono inoltre notare elementi di arresto (stopper) 21, 21' disposti all’interno delle masse inerziali 2, 2', al fine di limitare l’escursione di movimenti spuri delle stesse masse inerziali 2, 2' nel piano orizzontale xy ed inoltre lungo l’asse verticale z; tali stopper 21, 21' sono convenientemente ancorati al substrato 20, ed in grado di arrestare il movimento delle masse inerziali 2, 2' prima di possibili rotture.

Nella struttura integrata di rilevamento 1 mostrata in Figura 6, con una dimensione delle due masse inerziali 2, 2' di circa 420 Î1⁄4m x 470 Î1⁄4m x 22 Î1⁄4m e una tensione di polarizzazione di 6 V la sensibilità come accelerometro in entrambe le direzioni y e z à ̈ superiore a 350 Hz/g, mentre la sensibilità prevista come giroscopio (roll e yaw) à ̈ di circa 0.15 Hz/°/sec.

Come mostrato in figura 7, la struttura integrata di rilevamento 1 à ̈ convenientemente accoppiata ad un opportuno circuito elettronico di lettura e azionamento 22, configurato tra l’altro in modo tale da effettuare opportune elaborazioni e combinazioni dei valori di frequenza di risonanza flessionale fI-fIVe dei valori di frequenza di risonanza torsionale φ1-φ4(in particolare, le differenti combinazioni di tali valori precedentemente discusse in dettaglio per ricavare le variazioni di frequenza di risonanza flessionale e torsionale, Δf-Δf', Δφ-Δφ'), al fine di determinare il valore delle grandezze esterne di accelerazione e velocità angolare da rilevare.

La struttura integrata di rilevamento 1 e l’associato circuito elettronico di lettura e azionamento 22 formano insieme un dispositivo sensore risonante 24, dotato di due assi di misura di accelerazione e di due assi di misura di velocità angolare; il circuito elettronico di lettura 22 à ̈ convenientemente realizzato in forma integrata come ASIC (Application Specific Integrated Circuit), in una piastrina (die) che può essere vantaggiosamente alloggiata in uno stesso contenitore (package) che ospita anche la piastrina nella quale à ̈ realizzata la struttura integrata di rilevamento 1.

Come mostrato schematicamente nella stessa figura 7, un apparecchio elettronico 26, provvisto di tale dispositivo sensore risonante 24, ad esempio un apparecchio portatile, quale un telefono cellulare, uno smartphone, un laptop, un palmare, un tablet, una fotocamera o videocamera, comprende inoltre un’unità di controllo 28 (ad esempio a microprocessore), collegata elettricamente al circuito elettronico di lettura e azionamento 22, in modo da ricevere le misure delle grandezze esterne rilevate di accelerazione e velocità angolare, per eseguire operazioni di controllo per la gestione dello stesso apparecchio elettronico 26.

Come precedentemente accennato, la struttura integrata di rilevamento 1 può essere realizzata con processi di microlavorazione superficiale, per esempio utilizzando il cosiddetto processo ThELMA (Thick Epipoly Layer for Microactuators and Accelerometers).

Il processo ThELMA consente la realizzazione di strutture sospese con spessori relativamente contenuti (ad esempio dell’ordine di 15-25 Î1⁄4m), ancorate al substrato attraverso parti cedevoli (molle) e pertanto in grado di spostarsi rispetto al substrato di silicio sottostante. Il processo consiste in diverse fasi di produzione, tra cui:

- ossidazione termica del substrato;

- deposizione e modellazione (patterning) di interconnessioni elettriche orizzontali (destinate ad esempio alla realizzazione degli elettrodi 17, 18 e delle associate piste elettriche);

- deposizione e patterning di uno strato sacrificale; - crescita epitassiale di uno strato strutturale (ad esempio costituito di polisilicio con spessore di 22 Î1⁄4m, destinato alla formazione delle masse sospese);

- patterning dello strato strutturale mediante attacco di trincea (trench etching);

- rimozione dell’ossido sacrificale per il rilascio delle varie masse sospese; e

- deposizione di metallizzazioni di contatto.

Da quanto à ̈ stato descritto ed illustrato precedentemente, i vantaggi che la presente soluzione consente di ottenere sono evidenti.

In particolare, si sottolinea che la struttura integrata di rilevamento 1 descritta, pur utilizzando due sole masse inerziali 2, 2', consente la lettura indipendente di due componenti di accelerazione e di due componenti di velocità di rotazione con un notevole risparmio di ingombro complessivo.

La struttura à ̈, per tutte e quattro le sollecitazioni esterne, totalmente differenziale, dato che in ogni caso, un primo elemento risonatore, flessionale o torsionale, di ciascuna coppia, subisce un aumento di frequenza di risonanza e l’altro elemento risonatore, flessionale o torsionale, della stessa coppia subisce una corrispondente diminuzione di frequenza di risonanza. La lettura differenziale permette vantaggiosamente il rilevamento delle grandezze esterne anche in presenza di uno stato di coazione, generato ad esempio da una variazione termica che possa indurre una non planarità della struttura. Inoltre, la lettura differenziale aumenta, in modo noto, il range di linearità e la sensibilità nel rilevamento delle grandezze esterne.

La configurazione geometrica proposta, in particolare la posizione degli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b' rispetto alla rispettiva massa inerziale 2, 2', e la posizione degli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', che ruotano attorno ad assi di rotazione B-B', C-C' paralleli rispetto all’asse di rotazione A della stessa massa inerziale, consente di ridurre l’ingombro complessivo della struttura integrata di rilevamento 1.

Inoltre, la posizione degli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a'-3b' consente la loro attuazione in risonanza mediante gli stessi elettrodi di attuazione 12, 12' utilizzati per l’attuazione delle due masse inerziali 2, 2', nuovamente a vantaggio della riduzione complessiva degli ingombri.

In generale, l’utilizzo nella stessa struttura integrata di rilevamento 1, di due principi diversi per la variazione di frequenza di risonanza, cioà ̈ la dipendenza della frequenza di risonanza dall’azione assiale nei risonatori e dalla rigidezza elettrica a cui gli stessi risonatori sono sottoposti, consente di realizzare un accelerometro ed un giroscopio risonante con la tecnologia della microlavorazione superficiale, per rilevare contemporaneamente accelerazioni nel piano orizzontale xy e fuori dallo stesso piano, e velocità angolari di imbardata e di rollio.

In conclusione, à ̈ chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato sin qui, senza tuttavia scostarsi dall’ambito di tutela della presente invenzione come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, una variante della struttura integrata di rilevamento 1 potrebbe eventualmente prevedere la presenza, ad esempio, dei soli elementi risonatori torsionali 4a-4b, 4a'-4b', nel caso si desideri rilevare soltanto una prima componente di accelerazione lineare in combinazione con una prima velocità angolare, sfruttando il principio di variazione della rigidità elettrica avvertita dagli stessi elementi risonatori torsionali per il rilevamento di entrambe le grandezze. Analogamente, ancora un’altra variante potrebbe prevedere la presenza dei soli elementi risonatori flessionali 3a-3b, 3a’-3b’, nel caso si desideri rilevare una sola componente di accelerazione lineare nel piano e la velocità angolare di imbardata.

Inoltre, la forma geometrica della struttura integrata di rilevamento 1, o di parti di essa, potrebbe differire da quanto descritto in precedenza, senza che ciò comporti variazioni di rilievo nel principio di funzionamento.

La struttura integrata di rilevamento 1 potrebbe essere di tipo nanoelettromeccanico, nel caso di utilizzo di adeguati procedimenti di fabbricazione, che consentano il raggiungimento di dimensioni submicrometriche.

Come illustrato in figura 8, potrebbe inoltre essere previsto lo sdoppiamento degli elettrodi di attuazione 12, 12', prevedendo distinti elettrodi di attuazione per l’azionamento degli elementi risonatori flessionali 3a-3a', 3b-3b', e per l’azionamento della rispettiva massa inerziale 2, 2'.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Struttura integrata di rilevamento (1), comprendente: - una prima (2) ed una seconda (2') massa inerziale, ciascuna avente estensione principale in un piano (xy), ancorata ad un substrato (20) mediante rispettivi elementi elastici di ancoraggio (8a-8b, 8a'-8b'), in modo tale da essere sospesa al di sopra di detto substrato (20), detti elementi elastici di ancoraggio (8a-8b, 8a'-8b') essendo configurati in modo da consentire alla rispettiva massa inerziale (2, 2') un movimento di attuazione lineare lungo un primo asse (x) appartenente a detto piano (xy) ed un rispettivo primo movimento di rilevamento di rotazione intorno ad un rispettivo primo asse di rotazione (A, A') parallelo ad un secondo asse (y) appartenente a detto piano (xy), trasversale a detto primo asse (x), - un primo gruppo di elettrodo di attuazione (12, 12'), operativamente accoppiato a ciascuna di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale, configurato in modo da causarne il rispettivo movimento di attuazione, in versi opposti di detto primo asse (x) per dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale; e - una coppia di primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b'; 3a-3b, 3a'-3b'), collegati elasticamente a ciascuna di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale, per il tramite di rispettivi elementi elastici di supporto (16; 8a-8b), detti rispettivi elementi elastici di supporto essendo configurati in modo da accoppiare detti primi elementi risonatori alla rispettiva di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale durante il rispettivo primo movimento di rilevamento, e da consentirne un movimento indipendente in risonanza; in cui il rispettivo primo movimento di rilevamento di detta prima (2) o seconda (2') massa inerziale à ̈ funzione della presenza di una prima velocità angolare (Ωr; Ωz) o di una prima accelerazione lineare (az; ay) che deve essere rilevata, ed à ̈ destinato a causare corrispondenti variazioni di frequenza di risonanza di detti primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b'; 3a-3b, 3a'-3b').
2. 2. Struttura secondo la rivendicazione 1, in cui detti primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') di ciascuna coppia sono di tipo torsionale, e detto movimento indipendente in risonanza à ̈ un movimento indipendente di rotazione dei primi elementi risonatori intorno ad un rispettivo secondo (B, B') e terzo (C, C') asse di rotazione, tra loro paralleli ed inoltre paralleli al rispettivo primo asse di rotazione (A, A') di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale; in cui detto rispettivo primo movimento di rilevamento per dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale à ̈ in uno stesso senso di rotazione, per effetto di una rispettiva forza di Coriolis (Fc'), in presenza di una prima velocità angolare (Ωr) intorno a detto secondo asse orizzontale (y), ed in sensi di rotazione opposti, per effetto di una rispettiva forza inerziale (Fa'), in presenza di una prima accelerazione lineare (az) diretta lungo un asse verticale (z) trasversale a detto piano (xy).
3. 3. Struttura secondo la rivendicazione 2, comprendente un primo gruppo di elettrodo di rilevamento (18, 18'), disposto su detto substrato (20), operativamente accoppiato a detti primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') per consentire il rilevamento di relative variazioni di frequenza di risonanza, al variare della rigidezza elettrica in funzione della variazione di distanza da detto substrato (20) per effetto di detto primo movimento di rilevamento di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale.
4. 4. Struttura secondo la rivendicazione 3, in cui detto rispettivo primo movimento di rilevamento di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale à ̈ destinato a provocare variazioni di distanza opposte, rispetto a detto substrato (20), nei primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') di ciascuna coppia, ed inoltre differenti variazioni di frequenza di risonanza nei primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') di almeno una coppia, a seconda della presenza di detta prima velocità angolare (Ωr) o di detta prima accelerazione lineare (az).
5. 5. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, avente un asse mediano (My) parallelo al secondo asse orizzontale (y); in cui dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale sono disposte in maniera simmetrica rispetto a detto asse mediano (My).
6. 6. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i rispettivi elementi elastici di ancoraggio (8a-8b, 8a'-8b') collegano ciascuna di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale a rispettivi ancoraggi esterni (6a-6b, 6a'-6b'), disposti lateralmente all’esterno della rispettiva massa inerziale (2, 2'); ed in cui dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale presentano una distribuzione di massa asimmetrica rispetto a detto rispettivo primo asse di rotazione (A, A'), e sono vincolate in modo eccentrico a detto substrato (20) tramite detti rispettivi elementi elastici di ancoraggio (8a-8b, 8a'-8b').
7. 7. Struttura secondo la rivendicazione 6, in cui detti primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') di ciascuna coppia sono di tipo torsionale; comprendente inoltre una coppia di secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b'), di tipo flessionale, accoppiati a ciascuna di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale, ciascuno di detti secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') avendo una prima estremità vincolata ad un ancoraggio (11) verso detto substrato (20) ed una seconda estremità vincolata ad un rispettivo di detti elementi elastici di ancoraggio (8a-8b, 8a'-8b'), in prossimità di un rispettivo di detti ancoraggi esterni (6a-6b, 6a'-6b'); in cui detti elementi elastici di ancoraggio (8a-8b, 8a'-8b') sono inoltre configurati in modo da consentire alla rispettiva massa inerziale (2, 2') un rispettivo secondo movimento di rilevamento, lineare lungo detto secondo asse orizzontale (y); detto rispettivo secondo movimento di rilevamento essendo atto a provocare sforzi assiali in detti secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') tali da variarne la frequenza di risonanza.
8. 8. Struttura secondo la rivendicazione 7, comprendente inoltre un secondo gruppo di elettrodo di rilevamento (13a-13b, 13a'-13b'), operativamente accoppiato a detti secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') per consentire il rilevamento di relative variazioni di frequenza di risonanza, al variare di detti sforzi assiali.
9. 9. Struttura secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto rispettivo secondo movimento di rilevamento per dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale à ̈ nello stesso senso di detto secondo asse orizzontale (y) in presenza di una seconda accelerazione lineare (ay) diretta lungo detto secondo asse orizzontale (y), ed in sensi opposti di detto secondo asse orizzontale (y) in presenza di una seconda velocità angolare (Ωz) intorno a detto asse verticale (z).
10. 10. Struttura secondo la rivendicazione 9, atta a consentire congiuntamente il rilevamento di dette prima (az) e seconda (ay) accelerazione lineare dirette lungo detto asse verticale (z) e, rispettivamente, secondo asse orizzontale (y), e di dette prima (Ωr) e seconda (Ωz) velocità angolare intorno a detto secondo asse orizzontale (y) e, rispettivamente, a detto asse verticale (z).
11. 11. Struttura secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui detto rispettivo secondo movimento di rilevamento di dette masse inerziali (2, 2') à ̈ destinato a provocare sforzi assiali opposti nei secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') di ciascuna coppia, ed inoltre differenti variazioni di frequenza di risonanza dei secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') di almeno una coppia, a seconda della presenza di detta seconda velocità angolare (Ωz) o di detta seconda accelerazione lineare (ay).
12. 12. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-11, in cui detto primo gruppo di elettrodo di attuazione (12, 12') à ̈ inoltre configurato in modo da causare l’azionamento in risonanza di detti secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b'), ad una loro frequenza di risonanza flessionale nominale (f0).
13. 13. Struttura secondo la rivendicazione 12, in cui detti secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') sono conformati a trave e presentano una estensione longitudinale lungo detto secondo asse orizzontale (y), ed in cui detto primo gruppo di elettrodo di attuazione (12, 12') comprende un rispettivo elettrodo di attuazione disposto lateralmente rispetto ad una rispettiva di dette prima (2) e seconda (2') massa inerziale, affacciato ad una rispettiva coppia di detti secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') ed interposto lungo detto primo asse orizzontale (x) tra detta rispettiva coppia di secondi elementi risonatori (3a-3b, 3a'-3b') e la rispettiva massa inerziale (2, 2').
14. 14. Struttura secondo la rivendicazione 2, in cui i primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') di ciascuna coppia sono disposti in una prima (14, 14') e, rispettivamente, in una seconda (15, 15') finestra realizzate nella rispettiva massa inerziale (2, 2'); in cui dette prima (14, 14') e seconda (15, 15') finestra sono disposte simmetricamente rispetto a detto primo asse di rotazione (A, A'), detta seconda finestra (15, 15') essendo aperta verso l’esterno di detta rispettiva massa inerziale (2, 2'), centralmente rispetto a detta struttura integrata di rilevamento (1).
15. 15. Struttura secondo la rivendicazione 14, in cui i detti primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') sono contenuti nell’ingombro di detta rispettiva massa inerziale (2, 2') in detto piano (xy), e sono disposti simmetricamente rispetto a detto primo asse di rotazione (A, A'), detti secondo (B, B') e terzo (C, C') asse di rotazione essendo disposti ad una stessa distanza da detto primo asse di rotazione (A, A').
16. 16. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2, 14 o 15, comprendente inoltre un secondo gruppo di elettrodo di attuazione (17, 17'), operativamente accoppiato a detti primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b') e configurato in modo da causarne l’azionamento in condizione di risonanza in rotazione intorno rispettivamente a detti secondo (B, B') e terzo (C, C') asse di rotazione, ad una frequenza di risonanza torsionale nominale (φ0).
17. 17. Dispositivo sensore risonante (24), comprendente una struttura integrata di rilevamento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un circuito di lettura e azionamento (22) accoppiato elettricamente a detta struttura integrata di rilevamento (1) e configurato in modo da rilevare congiuntamente i valori di almeno una prima velocità angolare (Ωr; Ωz) e di almeno una prima accelerazione lineare (az; ay), in funzione di rispettive combinazioni di variazioni di frequenza di risonanza di detti primi elementi risonatori (4a-4b, 4a'-4b'; 3a-3b, 3a'-3b') per effetto del rispettivo primo movimento di rilevamento di dette masse inerziali (2, 2').
18. 18. Apparecchio elettronico (26), comprendente un dispositivo sensore risonante (24) secondo la rivendicazione 17, ed un’unità di controllo (28), collegata elettricamente a detto circuito di lettura e azionamento (22) di detto dispositivo sensore risonante (24) per ricevere i valori rilevati di dette almeno una prima velocità angolare (Ωr; Ωz) ed almeno una prima accelerazione lineare (az; ay).