ITTO20130237A1 - Struttura microelettromeccanica di rilevamento ad asse z ad elevata sensibilita', in particolare per un accelerometro mems - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“STRUTTURA MICROELETTROMECCANICA DI RILEVAMENTO AD ASSE Z AD ELEVATA SENSIBILITA', IN PARTICOLARE PER UN ACCELEROMETRO MEMSâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad una struttura microelettromeccanica di rilevamento ad asse z ad elevata sensibilità; in particolare per un sistema microelettromeccanico MEMS (dall’inglese Micro-Electro-Mechanical System) ad asse z.

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

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

La struttura MEMS 1 comprende un substrato 2 (ad esempio di materiale semiconduttore, in particolare silicio) avente una superficie superiore 2a, ed una massa di rilevamento 3, costituita di materiale conduttivo, ad esempio poli- o mono-silicio, e disposta al di sopra del substrato 2, sospesa ad una certa distanza dalla superficie superiore 2a di questo. La superficie superiore 2a del substrato 2 definisce un piano xy in un sistema di riferimento cartesiano xyz avente un primo asse x, un secondo asse y ed un terzo asse z. La massa di rilevamento 3 ha un’estensione principale in un piano che, in condizione di riposo, in assenza cioà ̈ di accelerazioni o stress esterni agenti sulla struttura MEMS 1, à ̈ sostanzialmente parallelo alla superficie superiore 2a del substrato 2, e dimensione sostanzialmente trascurabile lungo il terzo asse z.

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

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

La massa di rilevamento 3 à ̈ ancorata al substrato 2 mediante un elemento di ancoraggio centrale 6, costituito da un elemento a pilastro estendentesi all’interno dell’apertura passante 4 a partire dalla superficie superiore 2a del substrato 2, centralmente rispetto alla stessa. L’elemento di ancoraggio centrale 6 risulta pertanto disposto equidistante dagli elettrodi fissi 5a, 5b lungo il secondo asse y.

In particolare, la massa di rilevamento 3 à ̈ collegata meccanicamente all’elemento di ancoraggio centrale 6 mediante due elementi elastici di ancoraggio 8, estendentisi all’interno dell’apertura passante 4, con estensione sostanzialmente rettilinea e allineati reciprocamente lungo un asse di rotazione A parallelo al primo asse x. Gli elementi elastici di collegamento 8 sono disposti su lati opposti dell’elemento di ancoraggio centrale 6, fra questo e la massa di rilevamento 3 e sono configurati in modo da essere cedevoli alla torsione intorno alla loro direzione di estensione, consentendo così la rotazione della massa di rilevamento 3 al di fuori del piano xy, intorno all’asse di rotazione A.

In uso, in presenza di un’accelerazione agente lungo la direzione ortogonale z, la massa di rilevamento 3, data la sua eccentricità rispetto all'asse di rotazione A, ruota intorno a quest'ultimo, per effetto inerziale, in modo che la prima o la seconda porzione 3a, 3b si avvicina al rispettivo elettrodo fisso 5a o 5b e l'altra porzione 3b, 3a si allontana dall’altro elettrodo fisso 5b, 5a, generando variazioni capacitive opposte dei condensatori di rilevamento C1, C2. Un’opportuna elettronica di interfaccia (non mostrata nelle figure 1a, 1b) della struttura, accoppiata elettricamente alla struttura MEMS 1, riceve in ingresso le variazioni capacitive dei condensatori di rilevamento C1, C2, e le elabora in maniera differenziale in modo da determinare il valore dell’accelerazione agente lungo l’asse ortogonale z.

La struttura MEMS 1 delle figg. 1a e 1b, pur consentendo vantaggiosamente di rilevare accelerazioni agenti lungo l’asse ortogonale z, consente solo una limitata scalabilità delle dimensioni nel caso in cui sia richiesta un'elevata sensibilità, definita come variazione dell'angolo di rotazione in funzione della variazione dell'accelerazione esterna).

Infatti, la riduzione di dimensioni della struttura nota comporta una riduzione della lunghezza del braccio (distanza fra il centro di massa dell'intera massa di rilevamento 3 dall'asse di rotazione A) e quindi una riduzione del momento.

Scopo della presente invenzione à ̈ mettere a disposizione una struttura di rilevamento MEMS avente elevata sensibilità, a parità di area.

Secondo la presente invenzione viene realizzata una struttura di rilevamento MEMS, come definita nella rivendicazione 1.

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

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

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

- la figura 2a à ̈ una vista in pianta di una forma di realizzazione della presente struttura MEMS di un sensore ad asse z;

- la figura 2b à ̈ una vista in sezione della struttura MEMS di figura 2 in condizione di riposo;

- la figura 2c à ̈ una vista in sezione della struttura MEMS di figura 2 illustrante lo spostamento della massa di rilevamento in presenza di una accelerazione esterna;

- la figura 3 mostra la struttura di fig. 2a-2c e il relativo equivalente meccanico, insieme a grandezze fisiche descrittive del comportamento della struttura stessa in presenza di una forza esterna;

- la fig. 4 mostra una vista dall'alto della struttura MEMS di fig. 1, evidenziante grandezze fisiche della stessa, per un confronto di sensibilità con la struttura di fig. 3;

- la figura 5 mostra l'andamento ("plot") del rapporto di sensibilità fra la struttura di fig. 3 e la struttura nota di fig. 1a;

- la figura 6 Ã ̈ una vista in sezione di una diversa forma di realizzazione della presente struttura MEMS;

- la figura 7 mostra uno diagramma a blocchi di un dispositivo elettronico incorporante la struttura MEMS di fig. 2a;

- la figura 8 mostra il diagramma a blocchi di un diverso dispositivo elettronico incorporante la struttura MEMS di fig. 2a.

Le figg. 2a-2c mostrano una forma di realizzazione di una struttura 10 sensibile a forze esterne agenti in direzione perpendicolare ad un piano di estensione principale della struttura 10 stessa.

Analogamente alla struttura nota 1 delle figg. 1a, 1b, la struttura 10 comprende un substrato 12 (ad esempio di materiale semiconduttore, in particolare silicio) avente una superficie superiore 12a, ed una massa sospesa 13, di materiale conduttivo, ad esempio poli- o mono-silicio, sospesa al di sopra del substrato 12, ad una certa distanza dalla superficie superiore 12a di questo.

Il substrato 12 definisce una terna di assi cartesiani xyz, in cui un primo ed un secondo asse x, y sono definiti dalla superficie superiore 12a del substrato, e un terzo asse z, perpendicolare agli assi x e y, Ã ̈ qui definito dall'altezza del substrato 12.

La massa sospesa 13 Ã ̈ formata da una massa traslante 14 da due masse rotanti ("tilting masses") 15a, 15b e da relativi elementi elastici 22, 28.

La massa traslante 14 ha qui una forma sostanzialmente parallelepipeda rettangolare, avente una faccia principale sostanzialmente parallela alla superficie superiore 12a del substrato 12. La massa di traslante 14 ha inoltre un'altezza, lungo il terzo asse z, molto inferiore alle altre dimensioni nel piano xy. Ad esempio, la massa traslante 14 può avere una altezza compresa fra 20 e 30 µm, per es. 24 µm, dimensioni nel piano xy comprese fra 300 µm e 1 mm, ad es. 400x800 µm. In questa forma di realizzazione, la massa traslante 14 à ̈ quindi delimitata da due coppie di superfici laterali (in seguito anche indicate come "lati") 16a, 16b e 17a, 17b, in cui i lati di ciascuna coppia (es.: 16a, 16b) sono fra loro paralleli e perpendicolari ai lati dell'altra coppia (es.: 17a, 17b). Per chiarezza descrittiva, i lati 16a, 16b e 17a, 17b verranno anche indicati in seguito, rispettivamente, come primo, secondo, terzo e quarto lato.

Le masse rotanti 15a, 15b sono fra loro congruenti ed hanno forma simmetrica centrale, essendo ottenibili una dall'altra ruotandole di 180° intorno ad un asse centrale (centro della massa traslante 14). Ciascuna massa rotante 15a, 15b à ̈ inoltre formata da una massa di supporto 18a, 18b e da un braccio di supporto 19a, 19b monolitico ed estendentesi dalla rispettiva massa di supporto 18a, 18b. Ciascuna massa rotante 15a, 15b ha inoltre lo stesso spessore ed à ̈ complanare alla massa traslante 14. I bracci di supporto 19a, 19b si estendono qui intorno circa metà del perimetro della massa traslante 14 e la supportano, in prossimità degli spigoli di questa, attraverso elementi elastici di supporto o molle 22.

In dettaglio, in questa forma di realizzazione, le masse di supporto 18a, 18b hanno forma rettangolare allungata parallela al primo asse X e sono disposte su lati opposti della massa traslante 14, a distanza dal primo e, rispettivamente, dal secondo lato 16a, 16b di questa. Ciascun braccio di supporto 19a, 19b ha qui forma sostanzialmente ad L comprendente una prima ed una seconda porzione 20, 21, fra loro trasversali, in particolare perpendicolari. La prima porzione 20 di ciascun braccio di supporto 19a, 19b si estende perpendicolarmente dal lato lungo della rispettiva massa di supporto 18a, 18b, parallelamente e lungo il terzo e il quarto lato 17a, 17b, rispettivamente, della massa traslante 14. Nell'esempio mostrato, quindi, le prime porzioni 20 si estendono parallelamente all'asse Y. La seconda porzione 21 di ciascun braccio di supporto 19a, 19b si estende parallelamente ai lati 16a, 16b, e precisamente fra il secondo lato 16b e la seconda massa di supporto 19b e, rispettivamente, fra il primo lato 16a e la prima massa di supporto 19a. Nell'esempio mostrato, quindi, le seconde porzioni 21 si estendono parallelamente all'asse X.

Gli elementi elastici o molle 22 si estendono a coppie fra la massa traslante 14 e le seconde porzioni 21 dei bracci di supporto 19a, 19b, ad esempio ciascuna in prossimità di un rispettivo spigolo della massa traslante 14. In una forma di realizzazione, le molle 22 possono essere realizzate in un recesso della massa traslante 14, ad esempio in corrispondenza degli spigoli di questa. Le molle 22 sono configurate in modo da consentire una rotazione relativa fra la massa traslante 14 e i bracci di supporto 19a, 19b intorno ad assi paralleli alla direzione delle seconde porzioni 21 (e all'asse X), come spiegato in dettaglio in seguito.

In pratica, i bracci di supporto 19a, 19b si estendono ciascuno verso l'altra massa di supporto 18b, 18a e intorno parte della periferia della massa traslante 14 in modo da poter sostenere la massa traslante 14 stessa in punti simmetrici ma remoti rispetto alle rispettive masse di supporto 18a, 18b, così da aumentare la distanza tra il baricentro e gli assi di rotazione, per ciascuna delle due strutture 15a 15b, massimizzando quindi il braccio equivalente dell’intera struttura, come sotto spiegato.

Ciascuna massa di supporto 18a, 18b ha inoltre una rispettiva apertura passante 24, che la attraversa per il suo intero spessore, ha in pianta una forma sostanzialmente rettangolare estendentesi principalmente lungo il primo asse X in posizione sostanzialmente centrata rispetto alla relativa massa di supporto 18a, 18b.

Ciascuna massa di supporto 18a, 18b à ̈ inoltre ancorata al substrato 12 mediante un rispettivo elemento di ancoraggio 26 e coppie di elementi elastici di ancoraggio 28.

Ogni elemento di ancoraggio 26 à ̈ costituito da un pilastro estendentesi verticalmente (in direzione dell'asse Z) all’interno della rispettiva apertura passante 24 a partire dalla superficie superiore 12a del substrato 12 e centralmente rispetto alla rispettiva apertura passante 24.

Ciascuna coppia di elementi elastici di ancoraggio 28 si estende all’interno delle rispettive aperture passanti 24 e collegano le masse di supporto 18a, 18b al rispettivo elemento di ancoraggio 26. In dettaglio, i due elementi elastici di ancoraggio 28 di ciascuna massa di supporto 18a, 18b sono disposti su due lati opposti del rispettivo elemento di ancoraggio 26 e sono allineati reciprocamente in direzione parallela al primo asse X. Inoltre, essi sono configurati in modo da essere cedevoli alla torsione, in modo che il rispettivo asse di allineamento costituisce un asse di rotazione A1, A2 per la rispettiva massa rotante 15a, 15b.

La struttura 10 comprende inoltre due coppie di elettrodi fissi 30a, 30b, 30c, 30d, costituiti da materiale conduttivo, ad es. alluminio, poli-silicio drogato ecc., e disposti sulla superficie superiore 12a del substrato 12. In dettaglio, la prima coppia di elettrodi fissi 30a, 30b si estende al di sotto di una prima massa di supporto, qui la massa di supporto 18a, da parti opposte rispetto alla rispettiva apertura passante 24, e la seconda coppia di elettrodi fissi 30c, 30d si estende al di sotto dell'altra massa di supporto 18b, da parti opposte rispetto alla rispettiva apertura passante 24.

Gli elettrodi fissi 30a, 30b, 30c, 30d hanno una forma sostanzialmente rettangolare, allungata lungo la prima direzione X e definiscono, insieme alle rispettive masse di supporto 18a, 18b, due coppie di condensatori di rilevamento a facce piane e parallele, indicati schematicamente con C1-C2 e C3-C4, rispettivamente per la massa rotante 15a e per la massa rotante 15b. Ciascun elemento di ancoraggio 26 Ã ̈ pertanto disposto equidistante dagli elettrodi fissi 30a, 30b, 30c, 30d lungo il secondo asse Y.

La struttura 10 viene realizzata secondo tecniche di fabbricazione MEMS standard, comprendenti la realizzazione degli elettrodi 30a-30d al di sopra del substrato 12; la realizzazione di uno strato sacrificale; la realizzazione di aperture nello strato sacrificale; la crescita di uno strato policristallino che forma gli elementi di ancoraggio nelle aperture e uno strato strutturale al di sopra dello strato sacrificale; la definizione dello strato strutturale, in modo da formare la massa sospesa 13; e la rimozione dello strato sacrificale, in modo da liberare la massa traslante, le masse rotanti 15a, 15b e i relativi elementi elastici.

In tal modo, nella forma di realizzazione mostrata, la massa traslante 14 e le masse rotanti 15a, 15b sono dello stesso materiale, sono complanari (in condizione di riposo) e hanno stessa altezza (in direzione z). In alternativa, Ã ̈ possibile realizzare una struttura in cui l'altezza delle masse rotanti 15a, 15b e quella della massa traslante 14 Ã ̈ diversa.

In uso, in condizione di riposo, ovvero in assenza di forze esterne (fig. 2b), la massa traslante 14 e le masse rotanti 15a, 15b sono complanari. In presenza di una accelerazione esterna (fig. 2c), grazie alla simmetria del sistema e il doppio sistema di elementi elastici 22, 28, la massa traslante 14 si muove in direzione trasversale, in particolare perpendicolare, al piano xy, mentre le masse rotanti 15a, 15b ruotano intorno ai rispettivi assi di oscillazione A1, A2. In particolare, le masse rotanti 15a, 15b ruotano in senso opposto (una in senso orario, l'altra in senso antiorario), come mostrato ad es. in fig. 2c, relativa alla presenza di una forza che provoca lo spostamento della massa traslante 14 in allontanamento dal substrato 12.

La rotazione delle masse rotanti 15a, 15b provoca quindi un allontanamento di ciascuna massa di supporto 18a, 18b da uno dei rispettivi elettrodi fissi (qui gli elettrodi fissi 30b, 30d) e l'avvicinamento di ciascuna massa di supporto 18a, 18b dall'altro rispettivo elettrodo fisso (qui gli elettrodi fissi 30a, 30c), con un'uguale e opposta variazione delle capacità C1-C3 e C2-C4.

Per ciascuna massa rotante 15a, 15b, misurando la variazione di capacità fra i condensatori di ciascuna coppia C1-C2 e C3-C4, à ̈ possibile misurare l'accelerazione esterna:

∆C = (C2 C4) - (C1 C3) ∠Facc.

In una diversa forma di realizzazione, qualora le coppie di elettrodi 30a e 30c, 30b e 30d sono cortocircuitate fra loro. In questo caso, vale la seguente relazione:

∆C = (C2-C1)=(C4-C3) ∠Facc

per cui la differenza di capacità misurata à ̈ comunque proporzionale alla forza avente sulla massa traslante 14.In particolare, data la simmetria della struttura 10, gli angoli di rotazione delle due masse rotanti 15a, 15b sono fra loro uguali in valore, ma senso opposto, dando origine ad una struttura a doppia rotazione.

Per il calcolo della sensibilità della struttura, si utilizzerà il modello della struttura 10 mostrata in fig. 3, in cui O rappresenta il centro di gravità (o centro di massa) del sistema, e Oa, Ob rappresentano il centro di gravità (o centro di massa) delle masse rotanti 15a, 15b. In tale figura, sono mostrate grandezze fisiche relative alla struttura 10, utili per il calcolo della sensibilità di questo e aventi il seguente significato:

L = lunghezza totale in direzione X della struttura;

H = altezza in direzione Y della struttura;

t = altezza in direzione Z della struttura;

m = massa di ciascuna massa rotante 15a, 15b;

M = massa della massa traslante 14;

Î ̧ = angolo di rotazione di ciascuna massa rotante 15a, 15b;

k1, k2= rigidità torsionale degli elementi elastici di ancoraggio 28 e delle molle 22, rispettivamente;

r1, r2= termini dissipativi;

bg= braccio di ciascuna massa rotante 15a, 15 (distanza fra il relativo centro di gravità Oa, Ob e il relativo asse di oscillazione A1, A2);

B = braccio della massa traslante 14 (distanza fra il relativo centro di gravità O e gli assi di oscillazione A1, A2);

J = momento di inerzia di ciascuna massa rotante 15a, 15b;

xa= distanza di ciascun asse di rotazione A1, A2 dal bordo esterno di ciascuna massa rotante 15a, 15b.

L'equazione del moto che descrive il sistema meccanico di fig. 3 può essere scritta come:

2 < >+ 2+<>+ + = −2+

in cui a à ̈ l'accelerazione esterna.

Per semplicità, nel calcolo della sensibilità, verrà trascurata la massa dei bracci di supporto 15a, 15b. Tale assunzione comporta l'annullamento del braccio bgdelle due masse rotanti (bg= 0) nell'equazione precedente e porta ad una sottostima della sensibilità della struttura, per cui non pregiudica la validità del modello.

La sensibilità della struttura 10 può essere espressa come variazione dell'angolo di oscillazione Î ̧ rispetto alla variazione dell’accelerazione esterna a:  <M>

ï£ ́<G>+ B 

d Î ̧ mb 

ï£ ́ = 2 

ï£ ́ da  k 

  1 k 2 

ï£ ́ ï£ ï£ ̧

<ï£ ́>

1+k 

ï£ ́k 2= ( 2if 2<M>p )ï£ ̄J2B

2 

in cui f à ̈ la frequenza di risonanza del modo eccitato dalla forza esterna a e le grandezze indicate sono funzioni delle dimensioni della struttura come sotto indicato:

m=2â‹… Ï â‹…xaâ‹…H â‹… t

1<3>J= Ï â‹…Hâ‹…t â‹… (2x )

12a

M= Ï â‹…Hâ‹…tâ‹… (L− 4xa)

1

<B>=<(L>−<3x>a<)>2

ω = 2pif

in cui Ï Ã ̈ la massa specifica della struttura (nel caso considerato, del silicio).

Definendo:

xa= α L

con 0 < α < 0,5

la sensibilità della struttura 10 può essere scritta come:

dÎ ̧ (1−4α ) (1 − 3 α )

=

da DT 1

ω<2>L 2

α<3 2>

ï£ ̄<(>1−4α<)(>1 − 3 α 

3 2<)>

Viceversa, per la struttura 1 di figg. 1a, 1b (si veda anche la fig. 4, mostrante i relativi parametri geometrici), avente uguale lunghezza L e altezza H, e con asse A posto ad un'uguale distanza xadal bordo esterno più vicino della massa di rilevamento 3, si ottiene

 d Î ̧0 m

ï£ ́ = 0 bG0

 da STD k 0

<ï£ ́>k0 =<(>2 pi f 2

0<)>â‹… J 0

dÎ ̧ 0 3

= (1 − 2 α )

da 2

STD 2ω0 L(3α 2 −3 α 1)

in cui le grandezze hanno lo stesso significato sopra indicato e indice 0 e le grandezze indicate sono funzioni delle dimensioni della struttura di fig. 4 come sotto indicato:

m0= Ï LHt

2

1

J = Ï HL 3t+ m L

<0>0 −x 

12 2a

ï£ ï£ ̧

<L>bG<0>= − xa

2

xa= α L

Per confrontare la sensibilità della presente struttura 10 con quella della struttura nota 1, la sensibilità sopra calcolata va moltiplicata per 2, tenendo conto che ci sono due masse rotanti 15a, 15b. Infatti, la massa traslante à ̈ solo inerziale e non contribuisce direttamente al rilevamento, perché non ha un elettrodo sottostante e il rilevamento viene effettuato dalle masse rotanti 15a, 15b, ciascuna dotata di una coppia di elettrodi fissi 30a-30c sottostanti: per fornire lo stesso segnale di una struttura a singola massa à ̈ sufficiente che ciascuna coppia ruoti di un angolo pari alla metà dell’angolo di rotazione della massa singola. Questa perdita di rotazione utile viene poi compensata dal fatto che la struttura qui descritta presenta il doppio degli elettrodi di rilevamento (le coppie di elettrodi fissi [30a,30c] e [30b,30d]).

Affinché la struttura 10 qui descritta presenti sensibilità migliore rispetto alla struttura 1 noto, deve valere la seguente relazione:

d Î ̧

2 â‹…

dÎ ̧ d Î ̧ da

2⋅ ><0>→ DT > 1

da DT da STD d Î ̧ 0

da STD (1) Nel caso di struttura nota 1 e struttura 10 qui descritta progettate in modo da avere le stesse frequenze di risonanza f = f0, e rappresentando l'andamento dell'equazione (1) in funzione del parametro α, si ottiene l'andamento di fig. 5, dalla quale si nota che la (1) à ̈ soddisfatta per valori di α:

0 < α < 0,23

e che per valori compresi fra 0,15 e 0,2 la sensibilità della struttura 10 qui descritta à ̈ oltre due volte la sensibilità della struttura nota 1, a parità di area occupata.

In alternativa, con la struttura 10 qui descritta à ̈ possibile ottenere la stessa sensibilità con una massa ridotta o, in altre parole, ridurre le dimensioni della struttura 10 senza perdere di sensibilità. Inoltre, la struttura 10 qui descritta consente di variare altri parametri, ad esempio la rigidezza, senza pregiudicare la sensibilità della struttura 10.

Inoltre, con la struttura 10 qui descritta, à ̈ possibile, attraverso un opportuno design della massa traslante 14, agire sui coefficienti di smorzamento (“damping†) della struttura in maniera indipendente dalla sensibilità del dispositivo. In particolare, modificando parametri quali, la distanza nella direzione Z tra massa traslante e il substrato, la presenza o meno di fori passanti nella massa traslante o artifici simili à ̈ possibile regolare il termine dissipativo senza peraltro alterare le prestazioni del dispositivo.

La fig. 6 mostra una forma di realizzazione completamente differenziale. In fig. 6, al di sopra e a distanza dal piano della massa traslante 14, Ã ̈ previsto un cappuccio 31 ("cap") portante un primo elettrodo 32. Un secondo elettrodo 33 Ã ̈ posto al di sopra del substrato 12, sotto la massa traslante 14, verticalmente allineato al primo elettrodo 32. Inoltre, nella struttura di fig. 8 non sono presenti gli elettrodi fissi 30a, 30b, 30c, 30d.

Di conseguenza, la struttura di fig. 6 presenta due soli condensatori, formati dalla massa traslante 14 e ciascuno degli elettrodi 32, 33. Il movimento della massa traslante 14 determina quindi un aumento della capacità di uno dei due condensatori ed una corrispondente riduzione della capacità dell'altro, consentendo una rilevazione a piatti paralleli completamente differenziale ("fully differential parallel-plate sensing").

La struttura qui descritto à ̈ vantaggiosamente integrabile in moduli di rilevamento del moto in tecnologia MEMS includenti giroscopi e accelerometri.

La fig. 7 mostra l’utilizzo della struttura 10 e del relativo sensore di accelerazione ad asse z in un dispositivo elettronico 40. Qui, un sensore microelettromeccanico 42 include la struttura MEMS 10 precedentemente descritta ed un circuito ASIC 43 che forma la relativa interfaccia di lettura (e che può essere realizzato nella stessa piastrina – die – in cui à ̈ realizzata la struttura MEMS 10 o in una differente piastrina, che può comunque essere alloggiata nello stesso package.

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

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

In alternativa, la struttura 10 può essere utilizzata per applicazioni automotive, come mostrato in fig. 8. In questa applicazione, analogamente a quanto mostrato in fig. 7, un sensore microelettromeccanico 42 include la struttura MEMS 10 precedentemente descritta ed un circuito ASIC 43 che forma la relativa interfaccia di lettura. Il sensore microelettromeccanico 42 à ̈ qui collegato ad una centralina auto 50 che utilizza i segnali generati dal sensore 42, e specificamente il movimento in z rilevato, per controllare un dispositivo di azionamento di airbag 51 e un dispositivo ESP (dal tedesco Elektronisches Stabilitätsprogramm – Controllo elettronico della stabilità) 52.

Risulta infine chiaro che alla struttura di rilevamento MEMS qui descritta ed illustrata possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo ("scope") della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, la massa traslante 14 potrebbe essere circolare o ellittica o in generale arrotondata, invece che rettangolare. In questo caso, anche i bracci di supporto potrebbero avere forma complementare, ad esempio a corona circolare o ellittica. Inoltre, anche le masse di supporto potrebbero avere forma differente, ad esempio avere lati concavi o convessi, purché fra loro simmetrici, indipendentemente dalla forma della massa traslante 14, rettangolare, a croce o arrotondata.

Inoltre, come sopra dimostrato, sebbene la presenza dei bracci di supporto 19a, 19b porti i vantaggi sopra indicati, la struttura qui descritta può essere realizzata senza tali bracci, pur fornendo l'aumento di sensibilità discusso.

La massa traslante 14 potrebbe avere una posizione diversa da quella descritta, ad esempio esterna agli elementi di ancoraggio 26 e/o avere spessore differente da quello delle masse rotanti 15a, 15b.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Struttura microelettromeccanica (10) di rilevamento ad asse z, comprendente: - un substrato (12) definente un piano (xy); - un primo ed un secondo elemento di ancoraggio (26), sporgenti da e solidali al substrato; - una massa traslante (14), sospesa al di sopra di detto substrato (12) e mobile in una direzione trasversale al piano; - una prima ed una seconda massa rotante (15a, 15b), supportata ciascuna dal primo e, rispettivamente, il secondo elemento di ancoraggio (26) attraverso rispettivi elementi elastici di ancoraggio (28) in modo da poter ruotare rispetto ad un primo e, rispettivamente, un secondo asse di oscillazione (A1, A2), il primo e il secondo asse di oscillazione essendo paralleli fra loro; - una disposizione di elettrodi fissi (30a-30d; 32, 33) affacciata a distanza ad almeno una fra la prima e la seconda massa rotante o alla massa traslante; e - elementi elastici di supporto (22) interposti fra la massa traslante (14) e, rispettivamente, la prima e la seconda massa rotante (15a, 15b).
2. 2. Struttura secondo la rivendicazione 1, in cui la massa traslante (14), le masse rotanti (15a, 15b) e gli elementi elastici di supporto (22) hanno simmetria centrale.
3. 3. Struttura secondo la rivendicazione 1 o 2, la massa traslante (14) e le masse rotanti (15a, 15b) sono fra loro complanari e hanno la stessa altezza.
4. 4. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa traslante (14) Ã ̈ disposta fra il primo ed il secondo elemento di ancoraggio (26).
5. 5. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni, in cui la prima e la seconda massa rotante(15a, 15b) comprendono ciascuna una rispettiva massa di supporto (18a, 18b) e un rispettivo braccio di supporto (19a, 19b), ciascuna massa di supporto essendo collegata al rispettivo elemento di ancoraggio (26) e ciascun braccio di supporto si estende dalla rispettiva massa di supporto verso e intorno parte della periferia della massa traslante (14), in cui gli elementi elastici di supporto (22) si estendono fra la massa traslante e un rispettivo braccio di supporto (19a, 19b).
6. 6. Struttura secondo la rivendicazione 5, in cui ciascun braccio di supporto (19a, 19b) ha una prima porzione (20) estendentesi dalla rispettiva massa di supporto (18a, 18b) verso l'altra massa di supporto (18b, 18a) ed una seconda porzione (21) estendentesi fra la massa traslante (14) e l'altra massa di supporto (18b, 18a).
7. 7. Struttura secondo la rivendicazione 6, in cui la massa traslante (14) ha inviluppo rettangolare, le masse di supporto (18a, 18b) hanno inviluppo rettangolare e i bracci di supporto (19a, 19b) hanno forma sostanzialmente ad L.
8. 8. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuna massa di supporto (18a, 18b) comprende un’apertura passante (24), ciascun elemento di ancoraggio (26) si estende all'interno di una rispettiva apertura; e gli elementi elastici di ancoraggio (28) si estendono all’interno della rispettiva apertura passante e sono allineati a coppie in modo da definire il primo e il secondo asse di oscillazione (A1, A2).
9. 9. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la disposizione di elettrodi fissi (30a-30d) comprende almeno un primo ed un secondo elettrodo fisso estendentisi sul substrato ed affacciato ciascuno ad una rispettiva massa rotante (15a, 15b).
10. 10. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, comprendente un cappuccio (31) estendentesi a distanza e parallelamente al substrato (12), con la massa traslante (14) e le masse rotanti (15a, 15b) interposte fra il substrato (12) e il cappuccio (31), in cui la disposizione di elettrodi fissi (32, 33) comprende un primo elettrodo fisso (32) disposto sul substrato ed un secondo elettrodo fisso (33) disposto sul cappuccio, il primo e il secondo elettrodo fisso essendo reciprocamente e allineati in detta direzione trasversale.
11. 11. Struttura secondo la rivendicazione 10, in cui il primo e il secondo elettrodo fisso (32, 33) sono affacciati alla massa traslante (14).
12. 12. Sensore microelettromeccanico (42), comprendente una struttura di rilevamento MEMS (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un circuito di interfaccia di lettura (43) accoppiato elettricamente a detta struttura di rilevamento MEMS (10).
13. 13. Sensore secondo la rivendicazione 12, in cui detta struttura di rilevamento MEMS (10) e detto circuito di interfaccia di lettura (43) formano un struttura ad asse z, e detta grandezza da rilevare à ̈ un’accelerazione diretta lungo la direzione trasversale (z).
14. 14. Dispositivo elettronico (40) comprendente un sensore microelettromeccanico (42) secondo una delle rivendicazioni 11-13, ed un’unità a microprocessore (44) collegata elettricamente a detto circuito di interfaccia di lettura (43); il dispositivo elettronico (40) essendo scelto nel gruppo comprendente: un telefono cellulare; un PDA (Personal Digital Assistant); un computer portatile; un riproduttore di audio digitale con capacità di registrazione vocale; una foto-camera o video-camera; un dispositivo di controllo per videogiochi.
15. 15. Dispositivo elettronico comprendente un sensore microelettromeccanico (42) secondo una delle rivendicazioni 11-13, una centralina auto (50) collegata elettricamente a detto circuito di interfaccia di lettura (43); un dispositivo elettronico di controllo della stabilità (52) e a un dispositivo di attivazione di airbag (51).