ITTO20130931A1

ITTO20130931A1 - Sensore di forza microelettromeccanico di tipo capacitivo e relativo metodo di rilevamento di forza

Info

Publication number: ITTO20130931A1
Application number: IT000931A
Authority: IT
Inventors: Sebastiano Conti; Domenico Giusti; Daniele Prati
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-16
Also published as: US10024738B2; US20150135860A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SENSORE DI FORZA MICROELETTROMECCANICO DI TIPO CAPACITIVO E RELATIVO METODO DI RILEVAMENTO DI FORZA”

La presente invenzione è relativa ad un sensore di forza microlettromeccanico (nel seguito MEMS, da Micro Electro Mechanical Systems) di tipo capacitivo, e ad un relativo metodo di rilevamento di forza.

È noto il crescente utilizzo, ad esempio in apparecchi elettronici portatili, quali ad esempio tablet, smartphone, riproduttori di audio digitale, foto o videocamere, console per videogames, di sensori includenti strutture di rilevamento micromeccaniche realizzate, almeno in parte, con materiali semiconduttori e con la tecnologia dei MEMS.

I sensori MEMS presentano caratteristiche vantaggiose, tra cui dimensioni compatte, ridotti consumi e buone prestazioni elettriche, e possono essere utilizzati ad esempio per la realizzazione di interfacce utente (UI – User Interface) per apparecchi elettronici portatili.

Un sensore MEMS comprende generalmente: una struttura di rilevamento micromeccanica, atta a trasdurre una grandezza meccanica da rilevare (ad esempio una forza) in una grandezza elettrica (ad esempio una variazione capacitiva, nel caso di strutture di rilevamento capacitive); ed un circuito elettronico di lettura, solitamente realizzato in forma integrata come ASIC (Application Specific Integrated Circuit), atto ad effettuare opportune operazioni di elaborazione (tra cui operazioni di amplificazione e filtraggio) della grandezza elettrica trasdotta in modo da fornire un segnale elettrico di uscita, analogico (ad esempio una tensione elettrica), o digitale. Tale segnale elettrico viene quindi reso disponibile per un apparecchio elettronico esterno (cosiddetto ospite) incorporante il sensore MEMS, ad esempio viene ricevuto in ingresso da un’unità di controllo a microprocessore dello stesso apparecchio elettronico.

La struttura di rilevamento micromeccanica di un sensore MEMS di tipo capacitivo comprende generalmente un elettrodo mobile, realizzato come diaframma o membrana, disposto affacciato ad un elettrodo sostanzialmente fisso, essendo separato da quest’ultimo da un gap (o regione di separazione) di aria. L’elettrodo mobile è generalmente ancorato elasticamente, mediante una sua porzione perimetrale, ad un substrato, mentre una sua porzione centrale è libera di muoversi o flettersi in risposta alla grandezza da rilevare (ad esempio una forza agente sullo stesso elettrodo mobile). L’elettrodo mobile e l’elettrodo fisso realizzano i piatti di un condensatore di rilevamento, e la flessione della membrana che costituisce l’elettrodo mobile causa una variazione di capacità di tale condensatore di rilevamento, a causa della variazione dell’altezza o spessore del gap di aria che separa gli elettrodi.

Soluzioni note per sensori di forza MEMS di tipo capacitivo presentano alcuni svantaggi, legati in particolare ad una ridotta sensibilità di rilevamento per bassi valori di forza applicata.

A questo riguardo, la figura 1 mostra un tipico andamento della capacità di rilevamento, indicata con C, in funzione della forza applicata, indicata con F, in un sensore di forza MEMS di tipo noto (la relazione forza applicata/capacità si riferisce in questo caso ad un semplice sistema a condensatore con facce piane e parallele). Il grafico evidenzia il ridotto valore di sensibilità in un ampio intervallo di valori di forza, nell’esempio compreso tra 0 e circa 500 gf.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sensore di forza MEMS di tipo capacitivo, che presenti caratteristiche migliorate rispetto alle soluzioni note. Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un sensore di forza MEMS ed un relativo metodo di rilevamento di forza, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

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

- la figura 1 mostra un grafico relativo alle prestazioni di rilevamento di un sensore di forza MEMS di tipo noto;

- la figura 2 è una sezione schematica di un sensore di forza MEMS, secondo una prima forma di realizzazione della presente soluzione;

- la figura 3 è una vista dall’alto prospettica schematica di una porzione del sensore di figura 2;

- la figura 4 mostra schematicamente una condizione operativa di rilevamento di una forza applicata, per il sensore di figura 2;

- la figura 5 mostra schematicamente una deformazione di una porzione del sensore di figura 4, in seguito all’applicazione della forza da rilevare;

- le figure 6a-6c mostrano grafici relativi a prestazioni nel rilevamento di forza del sensore di figura - la figura 7 è una sezione schematica di un sensore di forza MEMS, in accordo con una ulteriore forma di realizzazione della presente soluzione;

- la figura 8 mostra schematicamente una condizione operativa di rilevamento di una forza applicata, per il sensore di figura 7;

- la figura 9 mostra grafici relativi a prestazioni nel rilevamento di forza del sensore di figura 7;

- la figura 10 è una vista dall’alto prospettica schematica di una porzione del sensore di forza MEMS, secondo una variante della presente soluzione;

- la figura 11 mostra grafici relativi a prestazioni nel rilevamento di forza del sensore di figura 10;

- la figura 12 è una vista dall’alto prospettica schematica di una porzione del sensore di forza MEMS, secondo una variante della presente soluzione;

- la figura 13 è una sezione schematica di una porzione del sensore di forza MEMS, secondo una ulteriore forma di realizzazione;

- la figura 14 è uno schema a blocchi di massima di un apparecchio elettronico, in cui è utilizzato il sensore di forza MEMS secondo la presente soluzione; e

- la figura 15 è una sezione schematica di un sensore di forza MEMS, in accordo con una ulteriore forma di realizzazione della presente soluzione.

Come mostrato in figura 2, un sensore di forza MEMS, indicato in generale con 1, comprende una piastrina (die) 2, in cui viene realizzata una struttura di rilevamento di forza 3.

La piastrina 2 comprende un substrato 4, ad esempio costituito da un corpo solido, privo di aperture, includente materiale semiconduttore, ad esempio silicio, avente una superficie principale anteriore 4a, ed una superficie principale posteriore 4b, entrambe aventi estensione planare in un piano orizzontale xy e tra loro opposte lungo un asse verticale z, trasversale allo stesso piano orizzontale xy.

Sulla superficie principale anteriore 4a del substrato 4 è presente una regione isolante 5, ad esempio di ossido di silicio, avente conformazione a strato.

La struttura di rilevamento di forza 3 comprende un primo elettrodo di rilevamento 6 disposto sulla regione isolante 5, in particolare avente funzione di “statore”, ovvero di elettrodo fisso (come tale verrà richiamato in seguito). L’elettrodo fisso 6 è costituito ad esempio di polisilicio, o di materiale metallico.

La struttura di rilevamento di forza 3 comprende inoltre una regione dielettrica 8, avente conformazione a strato, disposta sull’elettrodo di rilevamento 6, costituita di materiale dielettrico solido, ad esempio di nitruro di silicio. In alternativa, la regione dielettrica 8 è costituita di un differente materiale dielettrico avente costante dielettrica relativa maggiore, preferibilmente molto maggiore, dell’aria, ad esempio avente valore almeno cinque volte maggiore. Lo spessore della regione dielettrica 8 è ad esempio minore o uguale a 0.2 µm.

La regione isolante 5, l’elettrodo fisso 6 e la regione dielettrica 8 possono essere realizzati mediante deposizione, e successivo attacco con tecnica fotolitografica, di rispettivi strati di materiale.

La struttura di rilevamento di forza 3 comprende inoltre un secondo elettrodo di rilevamento 10, in particolare avente funzione di “rotore”, ovvero di elettrodo mobile (come tale verrà richiamato in seguito); anche l’elettrodo mobile 10 è costituito ad esempio di polisilicio, o di materiale metallico.

L’elettrodo mobile 10 è disposto al di sopra della regione dielettrica 8, sospeso mediante una regione distanziatrice 11, ad esempio di ossido di silicio o altro materiale dielettrico, che poggia sulla stessa regione dielettrica 8. Nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, l’elettrodo mobile 10 e la regione dielettrica 8 hanno sostanzialmente la stessa dimensione nel piano orizzontale xy (trasversalmente alla direzione verticale di impilamento).

L’elettrodo mobile 10 definisce una membrana, sospesa al di sopra della regione dielettrica 8 e separata da quest’ultima da una regione di aria (cosiddetto “gap”) 12. Una regione periferica dell’elettrodo mobile 10 è disposta a contatto della regione distanziatrice 11 e costituisce una regione di ancoraggio della stessa membrana rispetto al substrato 4.

Come illustrato in figura 3 l’elettrodo mobile 10 può avere in pianta, nel piano orizzontale xy, una forma sostanzialmente quadrata, o circolare (quest’ultima possibilità essendo mostrata in linea tratteggiata). In entrambe queste forme di realizzazione, l’elettrodo mobile 10 è ancorato alla regione distanziatrice 11 lungo un suo intero perimetro.

Inoltre, un foro 13 è presente attraverso l’elettrodo mobile 10, ponendo in comunicazione fluidica la regione di aria 12 con uno spazio sovrastante lo stesso elettrodo mobile 10, in tal modo realizzando una funzione di equalizzazione di pressione.

Il processo di fabbricazione può ad esempio prevedere la deposizione di uno strato di ossido di silicio, o altro materiale opportuno, al di sopra della regione dielettrica 8, destinato alla formazione della regione distanziatrice 11, e successivamente la deposizione di uno strato di polisilicio, o altro materiale opportuno, al di sopra dello strato di ossido di silicio; tali strati possono essere definiti mediante attacco con tecnica fotolitografica per la definizione della loro dimensione nel piano orizzontale xy. Quindi, mediante attacco chimico può essere realizzato il foro 13 nello strato di polisilicio, e, attraverso lo stesso foro 13, può essere realizzato un attacco con rimozione selettiva del sottostante strato di ossido di silicio, per la definizione della regione di aria 12 e della regione distanziatrice 11.

Il sensore di forza MEMS 1 comprende inoltre un elemento di cappuccio 14 (cosiddetto “cap”), accoppiato mediante “bonding” alla superficie principale anteriore 4a del substrato 4 della piastrina 2, in modo da sovrastare la struttura di rilevamento di forza 3, ed in particolare gli elettrodi fisso e mobile 6, 10.

In particolare, una regione di bonding 15, ad esempio costituita di pasta di saldatura (solder paste) e definita con la tecnologia dello “screen printing”, circonda completamente l’elettrodo fisso 6 nel piano orizzontale xy; ad esempio, la regione di bonding 15 presenta una conformazione ad anello (ring).

All’esterno dell’anello di bonding 15, sulla superficie principale anteriore 4a del substrato 4 sono presenti una o più piazzole di contatto elettrico 16, collegate elettricamente alla struttura di rilevamento di forza 3 (ed in particolare agli elettrodi fisso e mobile 6, 10) mediante regioni sepolte di collegamento elettrico, non illustrate, realizzate in una porzione superficiale del substrato 4, in corrispondenza della superficie principale anteriore 4a.

Inoltre, un’apertura 17 è realizzata attraverso l’elemento di cappuccio 14, in corrispondenza verticalmente della struttura di rilevamento di forza 3 ed in particolare della membrana dell’elettrodo mobile 10.

Il sensore di forza MEMS 1 comprende inoltre un contenitore (package) 20, che in figura 2 è di tipo cosiddetto “full-molded” HLGA - Holed Land Grid Array (è in ogni caso evidente che, in maniera sostanzialmente equivalente, potrebbe essere previsto un package di tipo BGA – Ball Grid Array).

In maniera usuale in questo settore della tecnica, il termine “package” viene qui utilizzato per indicare l’involucro o rivestimento che circonda, in tutto o in parte, il o i die (piastrina/e) di materiale semiconduttore del sensore MEMS, consentendone il collegamento elettrico dall’esterno (ad esempio con tecnica SMD a montaggio superficiale su un circuito stampato).

In dettaglio, il package 20 comprende un supporto di base 22, sul quale il substrato 4 è incollato mediante uno strato di adesione (non illustrato), in corrispondenza della superficie principale posteriore 4b; il supporto di base 22 è ad esempio un substrato organico multistrato, definisce la base del package 20, e presenta una dimensione nel piano orizzontale xy maggiore rispetto a quella della piastrina 2, avendo porzioni laterali non coperte dalla stessa piastrina 2.

Il package 20 comprende inoltre un rivestimento 24, ad esempio di resina e realizzato tramite tecniche di stampaggio, che circonda la piastrina 2, e ricopre superiormente le porzioni laterali del supporto di base 22, senza però ricoprire la superficie esterna dell’elemento di cappuccio 14, che costituisce quindi parte di una prima faccia esterna 20a del package 20. In particolare, il rivestimento 24 non copre l’apertura 17, che risulta dunque accessibile dall’esterno del package 20, costituendo una porta di accesso verso lo spazio interno allo stesso package 20.

Inoltre, connessioni elettriche a filo 25 (realizzate con la tecnica del “wire bonding”) collegano le piazzole di contatto elettrico 16 ad ulteriori piazzole di contatto elettrico 26, disposte in corrispondenza delle suddette porzioni laterali del supporto di base 22; e connessioni elettriche passanti 27, realizzate attraverso lo stesso supporto di base 22, collegano le ulteriori piazzole di contatto elettrico 26 a piazzole esterne di contatto 28, ad esempio di materiale metallico, portate da una superficie esterna dello stesso supporto di base 22, definente una seconda faccia esterna 20b del package 20 (destinata ad esempio ad essere posta a contatto di un circuito stampato).

Le piazzole di contatto 28 costituiscono l’interfaccia di ingresso/uscita elettrica verso l’esterno del package 20. In modo di per sé noto, nel caso di package BGA, possono invece essere previsti a tale scopo rigonfiamenti conduttivi, ad esempio sfere metalliche (non mostrate), poste in contatto elettrico con le connessioni elettriche passanti 27.

Le dimensioni complessive del package 20 sono particolarmente contenute, ad esempio possono essere dell’ordine di 2 mm * 2mm nel piano orizzontale xy, e di 0,6 mm lungo l’asse verticale z.

In uso, e come illustrato schematicamente in figura 4, l’applicazione di una forza F al sensore di forza MEMS 1 provoca una deformazione della membrana dell’elettrodo mobile 10, nella direzione del sottostante substrato 4.

La forza F può ad esempio essere applicata mediante un elemento a pistone 30, avente uno stelo 31 ed una testa 32, che, introdotto lungo l’asse verticale z nella apertura 17, esercita una forza di contatto sull’elettrodo mobile 10 (anch’essa agente sostanzialmente lungo l’asse verticale z).

Ad esempio, la testa 32 presenta una conformazione ellittica in sezione, avendo un raggio di curvatura in corrispondenza della zona di contatto con l’elettrodo mobile 10, preferibilmente non inferiore a 40 mm, e diametro di contatto preferibilmente non inferiore ad 1/3 della superficie della membrana. Il suddetto raggio di curvatura è dato in particolare dalla seguente espressione:

dove dm è il diametro della membrana e gap è il valore della regione di aria 12.

In particolare, quando il valore della forza F supera un valore di soglia Fth, che rappresenta inoltre il minimo valore di forza rilevabile dal sensore di forza MEMS 1, l’elettrodo mobile 10 va in battuta, ovvero in contatto, con la sottostante regione dielettrica 8, in corrispondenza di una porzione centrale della membrana. La struttura di rilevamento di forza 3 è progettata in modo tale che il valore di soglia Fthsia molto basso, ad esempio dell’ordine di 20 gf (tale valore può in ogni caso variare a seconda delle esigenze ed inoltre del gap di aria).

Al crescere della forza F applicata, l’area di contatto tra le superfici affacciate dell’elettrodo mobile 10 e della regione dielettrica 8 aumenta progressivamente, in quanto la deformazione della membrana dell’elettrodo mobile 10 ne determina un progressivo “appiattimento” sulla stessa regione dielettrica 8.

Tale fenomeno è evidenziato anche in figura 5, che mostra la deformazione dell’elettrodo mobile 10, in seguito all’applicazione della forza F, e l’area di contatto, indicata con S, rispetto alla sottostante regione dielettrica 8.

In particolare, come illustrato in figura 6a, l’area di contatto S cresce in maniera sostanzialmente lineare (ovvero in maniera proporzionale) al variare della forza F applicata, per un ampio intervallo di valori della stessa forza F (l’area di contatto S essendo evidentemente nulla per valori di forza F minori del valore di soglia Fth).

Come mostrato in figura 6b, il valore della capacità, indicata con C, del condensatore di rilevamento formato tra gli elettrodi fisso e mobile 6, 10, presenta un incremento sostanzialmente lineare al variare dell’area di contatto S (e dunque della forza F applicata).

Un aspetto particolare della presente soluzione prevede dunque di sfruttare, ai fini del rilevamento del valore della forza F applicata, l’incremento sostanzialmente lineare dell’area di contatto S tra la regione dielettrica 8 e l’elettrodo mobile 10, che viene deformato e va in contatto fisico con la stessa regione dielettrica 8, il quale incremento provoca una corrispondente variazione (anch’essa lineare) della capacità C del condensatore di rilevamento che l’elettrodo mobile 10 forma con il sottostante elettrodo fisso 6.

Si noti che la regione di aria 12, per quanto riguarda la suddetta capacità C del condensatore di rilevamento, risulta sostanzialmente trascurabile, dato l’elevato valore della costante dielettrica della regione dielettrica 8.

Come evidenziato dal grafico di figura 6c, che mostra l’andamento risultante del valore della capacità C in funzione della forza F applicata, esiste un ampio intervallo di valori per cui tale andamento è sostanzialmente lineare; inoltre, la sensibilità di rilevamento (come evidenziato dalla pendenza della curva) risulta molto elevata per bassi valori della forza F (nell’esempio, per valori minori di 100-200 gf).

In particolare, in figura 6c vengono mostrati tre diversi andamenti della curva di rilevamento capacità/forza, relativi a rispettivi rapporti dimensionali della struttura di rilevamento 3 del sensore di forza MEMS 1, in particolare per quanto riguarda: lo spessore della membrana dell’elettrodo mobile 10, che presenta valori esemplificativi di 24 µm (esempio 1), 24,5 µm (esempio 2) e 25 µm (esempio 3); l’altezza, o spessore, in condizione di riposo della regione di aria 12 lungo l’asse verticale z, che presenta valori esemplificativi di 1,8 µm (esempio 1), 2 µm (esempio 2) e 1,6 µm (esempio 3); e lo spessore della regione dielettrica 8, che presenta valori esemplificativi di 0,25 µm (esempio 1), 0,3 µm (esempio 2) e 0,2 µm (esempio 3).

In generale, il sensore di forza MEMS 1 presenta ottime caratteristiche di rilevamento in un intervallo di forza F compreso tra il valore di soglia Fth, che come evidenziato in precedenza rappresenta un minimo valore di forza F rilevabile, ed un massimo valore di forza rilevabile, ad esempio pari a 500 gf.

Risulta inoltre evidente che la struttura di rilevamento di forza 3 del sensore di forza MEMNS 1 può essere opportunamente progettata, in termini dei materiali, delle dimensioni ed in generale delle caratteristiche meccaniche, in modo tale da ottenere un desiderato andamento della curva di rilevamento della capacità C, al variare della forza F applicata.

Con riferimento alla figura 7, viene ora descritta una differente forma di realizzazione del sensore di forza MEMS, nuovamente indicato con 1.

Tale forma di realizzazione differisce da quanto descritto in precedenza con riferimento alla figura 2, per il fatto che l’elettrodo mobile 10 funge anche da elemento di cappuccio (qui pertanto non presente), definendo parte della prima faccia esterna 20a del package 20 ed essendo dunque a diretto contatto dell’ambiente esterno allo stesso package 20.

In questo caso, l’elettrodo mobile 10 è accoppiato mediante “bonding” alla superficie principale anteriore 4a del substrato 4 della piastrina 2 mediante la regione di bonding 15, in modo da essere sospeso al di sopra della regione dielettrica 9; la regione di bonding 15 sostituisce dunque la regione distanziatrice 11 di figura 2.

Anche in questo caso, le dimensioni risultanti del sensore di forza MEMS 1 risultano estremamente compatte, nell’esempio essendo dell’ordine di 2,5 mm * 2,5 mm nel piano orizzontale xy e di 0,6 mm lungo l’asse verticale z. Lo spessore dell’elettrodo mobile 10 risulta maggiore rispetto alla forma di realizzazione di figura 2, ad esempio circa il doppio, ad esempio al fine di garantire una sufficiente robustezza al package 20 del sensore di forza MEMS 1.

Il funzionamento generale del sensore di forza MEMS 1 non differisce da quanto descritto in precedenza.

A questo riguardo, la figura 8 mostra la deformazione della struttura di rilevamento 3 in seguito all’applicazione della forza F, che agisce sulla porzione esposta dell’elettrodo mobile 10.

Inoltre, la figura 9 mostra tre diversi andamenti della curva di rilevamento capacità/forza, relativi a rispettivi rapporti dimensionali della struttura di rilevamento 3 del sensore di forza MEMS 1, nuovamente per quanto riguarda: lo spessore della membrana dell’elettrodo mobile 10, che presenta valori esemplificativi di 60 µm (esempio 1), 50 µm (esempio 2) e 40 µm (esempio 3); l’altezza in condizione di riposo della regione di aria 12 lungo l’asse verticale z, che presenta valori esemplificativi di 1,3 µm (esempio 1), 1 µm (esempio 2) e 0,7 µm (esempio 3); e lo spessore della regione dielettrica 8, che presenta valori esemplificativi di 0,16 µm (esempio 1), 0,15 µm (esempio 2) e 0,14 µm (esempio 3).

La figura 10 mostra una differente conformazione per la membrana dell’elettrodo mobile 10, che risulta in questo caso ancorata al sottostante substrato 4 (mediante la regione distanziatrice 11, opportunamente conformata) solamente in corrispondenza di sue porzioni d’angolo o spigolo 35.

In particolare, l’elettrodo mobile 10 presenta in questa forma di realizzazione una pluralità di cavità 36 (nell’esempio in numero pari a quattro), che si estendono in corrispondenza dei suoi lati, con conformazione a semicerchio nel piano orizzontale xy, definendo le porzioni di spigolo 35 e loro prolungamenti 35’ verso la membrana dell’elettrodo mobile 10.

Data la conformazione della struttura, i prolungamenti 35’ delle porzioni di spigolo 35 assumono una funzione elastica, conferendo maggiore flessibilità alla membrana, per la sua deformazione lungo l’asse verticale z.

La figura 11 mostra due curve di rilevamento capacità/forza, relative alla struttura di rilevamento di forza 3 mostrata in figura 10, con diversi valori di dimensionamento (supponendo in ogni caso dimensioni dell’elettrodo mobile 10 nel piano orizzontale xy di 1300 µm * 1300 µm, ed un raggio per le cavità 36 pari a 300 µm), nuovamente per quanto riguarda: lo spessore della membrana dell’elettrodo mobile 10, che presenta valori esemplificativi di 75 µm (esempio 1) e 50 µm (esempio 2); l’altezza in condizione di riposo della regione di aria 12 lungo l’asse verticale z, che presenta valore esemplificativo di 1,6 µm, in entrambi i casi; e lo spessore della regione dielettrica 8, che presenta valore esemplificativo di 0,2 µm, in entrambi i casi.

La figura 12 illustra una ulteriore variante realizzativa, in cui la membrana dell’elettrodo mobile 10 presenta soltanto due porzioni di spigolo 35, per l’ancoraggio al sottostante substrato 4.

Ancora una differente forma di realizzazione, illustrata schematicamente in figura 13, prevede di utilizzare come elettrodo fisso 6, una sottile porzione superficiale del substrato 4, definita mediante uno scavo dal retro del substrato 4, che porta alla definizione di una cavità 38.

Al di sopra dell’elettrodo fisso 6 viene quindi deposto uno strato dielettrico, ad esempio di nitruro o ossido di silicio, fortemente stressato, per la formazione della regione dielettrica 8.

A causa degli sforzi insiti nel materiale deposto, l’elettrodo fisso 6 subisce un fenomeno di incurvamento, cosiddetto fenomeno di “buckling”, avvicinandosi, in corrispondenza di una sua porzione centrale, all’elettrodo mobile 10.

Vantaggiosamente, in tale forma di realizzazione, risulta sufficiente una forza F di valore molto basso per mandare in battuta l’elettrodo mobile 10 contro la regione dielettrica 8. Di conseguenza, il valore minimo di forza F rilevabile risulta anch’esso minore rispetto alle soluzioni precedentemente discusse.

I vantaggi della soluzione descritta emergono in maniera evidente dalla discussione precedente.

In particolare, si sottolinea nuovamente che il sensore di forza MEMS 1 presenta migliorate caratteristiche elettriche rispetto a soluzioni note, in particolare presentando una elevata sensibilità per ridotti valori di forza F applicata.

Il sensore di forza MEMS 1 trova dunque vantaggioso utilizzo in applicazioni in cui sia richiesto rilevare con elevata sensibilità forze di valore non elevato, ad esempio nell’intervallo 20-1000 gf.

Ad esempio, la figura 14 mostra un apparecchio elettronico 40, ad esempio di tipo portatile, quale un tablet, uno smartphone, un riproduttore di audio digitale, una foto o videocamera, una console per videogames, che integra il sensore di forza MEMS 1.

L’apparecchio elettronico 40 comprende mezzi di immissione (input) 42, includenti tasti o analoghi elementi di attuazione, che vengono azionati da un utente, ad esempio per eseguire una azione desiderata all’interno di una interfaccia utente (UI – User Interface).

L’apparecchio elettronico 40 comprende inoltre un’unità a microprocessore 44, atta a gestirne il funzionamento generale; ed un elemento di visualizzazione (display) 45, opportunamente controllato dall’unità a microprocessore 44.

Il sensore di forza MEMS 1 è accoppiato ad almeno uno dei mezzi di immissione 42, per rilevarne l’azionamento, ed in particolare l’entità di tale azionamento (in termini, ad esempio, della forza esercitata dall’utente nel suo azionamento).

L’unità a microprocessore 44 riceve ed eventualmente elabora il segnale elettrico rilevato dal sensore di forza MEMS 1, indicativo dell’entità dell’azionamento, e genera corrispondenti comandi per l’interfaccia utente visualizzata sull’elemento di visualizzazione 45. Ad esempio, l’unità a microprocessore 44 può includere in memoria informazioni relative alla curva capacità/forza della struttura di rilevamento di forza 3 del sensore di forza MEMS 1, in modo tale da determinare il valore della forza F in funzione della variazione di capacità rilevata.

Il sensore di forza MEMS 1 presenta inoltre dimensioni compatte ed il suo procedimento di realizzazione risulta semplice ed economico.

La prima forma di realizzazione descritta con riferimento alla figura 2 può presentare il vantaggio di offrire una maggiore libertà di progetto nel dimensionamento e nella definizione delle caratteristiche meccaniche dell’elettrodo mobile 10 (e della relativa membrana).

La seconda forma di realizzazione, descritta con rifermento alla figura 7, può invece presentare il vantaggio specifico di conferire al package 20 un minore spessore lungo l’asse verticale z.

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

In particolare, è evidente che i materiali utilizzati per la realizzazione della struttura di rilevamento 3 possono differire da quanto precedentemente riportato. Inoltre, il dimensionamento dei vari elementi della stessa struttura di rilevamento 3 può differire da quanto illustrato.

Come illustrato in figura 15, il sensore di forza MEMS 1 può vantaggiosamente comprendere all’interno del package 20 almeno una ulteriore piastrina 50, ad esempio impilata al di sotto del substrato 4 della piastrina 2, integrante un circuito elettronico ASIC 52, per l’elaborazione dei segnali rilevati dalla struttura di rilevamento di forza 3. In particolare, il circuito elettronico ASIC 52 è in tal caso in grado di generare un segnale elettrico indicativo della forza F, in funzione della capacità del condensatore di rilevamento e, dunque, della superficie di contatto tra l’elettrodo mobile 10 e la regione dielettrica 8.

In questa forma di realizzazione, sono previste ulteriori connessioni elettriche a filo 25’ ed ulteriori piazzole di contatto elettrico 26’ per il collegamento elettrico tra la piastrina 2 e l’ulteriore piastrina 50’.

In alternativa, il circuito elettronico ASIC potrebbe essere integrato all’interno del substrato 4 della stessa piastrina 2.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sensore di forza MEMS (1) comprendente: un substrato (4); un elettrodo fisso (6) accoppiato al substrato (4); un elettrodo mobile (10) sospeso al di sopra del substrato (4) in corrispondenza dell’elettrodo fisso (6) in modo da formare un condensatore di rilevamento, l’elettrodo mobile (10) essendo atto a deformarsi in seguito all’applicazione di una forza (F) da rilevare, caratterizzato dal fatto di comprendere una regione di materiale dielettrico (8), disposta sull’elettrodo fisso (6) e distanziata da una regione di aria (12) dall’elettrodo mobile (10), in condizioni di riposo; in cui l’elettrodo mobile (10) è disposto in modo che, in seguito all’applicazione della forza (F), una superficie di contatto (S) tra lo stesso elettrodo mobile (10) e la regione di materiale dielettrico (8) aumenta all’aumentare della forza (F).
2. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui la regione di materiale dielettrico (8) ha una costante dielettrica relativa maggiore dell’aria.
3. Sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la regione di materiale dielettrico (8) comprende nitruro di silicio.
4. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elettrodo mobile (10) è configurato in modo da andare in battuta sulla regione di materiale dielettrico (8), determinando un valore non nullo per la superficie di contatto (S), in seguito all’applicazione di un valore minimo rilevabile (Fth) della forza (F) da rilevare.
5. Sensore secondo la rivendicazione 4, in cui l’incremento della superficie di contatto (S) è sostanzialmente lineare con la forza (F), causando un corrispondente incremento sostanzialmente lineare della capacità del condensatore di rilevamento.
6. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elettrodo mobile (10) presenta conformazione a membrana, ed è ancorato al substrato (4) mediante una regione di ancoraggio (11).
7. Sensore secondo la rivendicazione 6, in cui l’elettrodo mobile (10) presenta in un piano orizzontale (xy) un’estensione definita da un perimetro, ed è ancorato al substrato (4) lungo il suo intero perimetro.
8. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6, in cui l’elettrodo mobile (10) è ancorato al substrato (4) per il tramite di elementi elastici (35’) disposti in corrispondenza di sue porzioni di spigolo (35).
9. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un contenitore (20); in cui l’elettrodo mobile (10) definisce parte di una superficie esterna (20a) del package (20) rivolta verso l’ambiente esterno.
10. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elettrodo mobile (10) presenta almeno un foro (13), che lo attraversa per il suo intero spessore, ed è in comunicazione fluidica con la regione di aria (12).
11. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elettrodo fisso (6) e la regione di materiale dielettrico (8) presentano una conformazione curva convessa, rivolta verso l’elettrodo mobile (10).
12. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un circuito integrato (52) configurato in modo da generare un segnale elettrico indicativo della forza (F) da rilevare, sulla base di una variazione capacitiva del condensatore di rilevamento, funzione dell’incremento della superficie di contatto (S) tra l’elettrodo mobile (10) e la regione di materiale dielettrico (8).
13. Apparecchio elettronico (40), comprendente un sensore di forza MEMS (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
14. Metodo di rilevamento di forza, mediante un sensore di forza MEMS (1) dotato di: un substrato (4); un elettrodo fisso (6) accoppiato al substrato (4); un elettrodo mobile (10) sospeso al di sopra del substrato (4) in corrispondenza dell’elettrodo fisso (6) in modo da formare un condensatore di rilevamento, il metodo comprendendo la fase di applicare una forza (F) da rilevare all’elettrodo mobile (10), causandone una deformazione ed una variazione della capacità del condensatore di rilevamento, caratterizzato dal fatto che il sensore di forza MEMS (1) comprende una regione di materiale dielettrico (8), disposta sull’elettrodo fisso (6) e distanziata da una regione di aria (12) dall’elettrodo mobile (10), in condizioni di riposo; e dal fatto di comprendere la fase di deformare l’elettrodo mobile (10) in modo che una superficie di contatto (S) tra lo stesso elettrodo mobile (10) e la regione di materiale dielettrico (8) aumenti all’aumentare della forza (F).
15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui la fase di deformare comprende applicare un valore minimo rilevabile (Fth) della forza (F) da rilevare, tale per cui l’elettrodo mobile (10) vada in battuta sulla regione di materiale dielettrico (8), determinando un valore non nullo per la superficie di contatto (S).