ITUB20154667A1 - Dispositivo sensore microelettromeccanico con ridotta sensibilita' agli stress - Google Patents

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suspension structure
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Alessandro Tocchio
Francesco Rizzini
Luca Guerinoni
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
"DISPOSITIVO SENSORE MICROELETTROMECCANICO CON RIDOTTA SENSIBILITÀ' AGLI STRESS"
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo sensore microelettromeccanico (di tipo MEMS, dall'inglese Micro-Electro-Mechanical Sensor), che risulta avere una ridotta sensibilità a sollecitazioni (stress), in particolare indotte in una relativa struttura di rilevamento tramite 1' interazione con un relativo contenitore (package).
La trattazione seguente farà esplicito riferimento, senza per questo perdere in generalità, ad un accelerometro MEMS di tipo capacitivo.
Sono noti accelerometri MEMS con asse di rilevamento nel piano orizzontale, ovvero includenti strutture microelettromeccaniche sensibili ad accelerazioni agenti lungo almeno una direzione parallela ad un loro piano di estensione principale ed alla superficie superiore di un relativo substrato di materiale semiconduttore (oltre eventualmente ad essere in grado di rilevare ulteriori accelerazioni agenti in direzione ortogonale allo stesso piano).
Le figure la e lb mostrano a titolo di esempio una struttura di rilevamento di tipo noto, indicata nel suo insieme con il numero di riferimento 1, appartenente ad un accelerometro MEMS con asse di rilevamento nel piano.
La struttura di rilevamento 1 comprende: un substrato 2 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, avente una superficie superiore 2a; ed una massa inerziale 3, costituita di materiale conduttivo, ad esempio silicio epitassiale opportunamente drogato, e disposta al di sopra del substrato 2, sospesa ad una certa distanza dalla sua superficie superiore 2a.
La massa inerziale 3 è anche definita per consuetudine come ''massa di rotore" o semplicemente "rotore", in quanto mobile per effetto inerziale, senza che ciò implichi tuttavia che la stessa massa inerziale 3 abbia un movimento rotatorio; come descritto in seguito, in questa forma di realizzazione, la massa inerziale 3 ha, al contrario, un movimento lineare in seguito al rilevamento di un'accelerazione lungo l'asse di rilevamento.
La massa inerziale 3 presenta un'estensione principale in un piano orizzontale xy, definito da un primo e da un secondo asse orizzontale x, y ortogonali tra loro, e sostanzialmente parallelo alla superficie superiore 2a del substrato 2, e dimensione sostanzialmente trascurabile lungo un asse ortogonale z, perpendicolare al suddetto piano orizzontale xy (ed alla suddetta superficie superiore 2a del substrato 2) e formante con il primo ed il secondo asse orizzontale x, y una terna di assi cartesiani xyz.
In particolare, il primo asse orizzontale x coincide in questo caso con l'asse di rilevamento della struttura di rilevamento 1.
La massa inerziale 3 presenta una conformazione a cornice, ad esempio quadrata o rettangolare (o, in altre parole, ad anello quadrato o rettangolare), nel suddetto piano orizzontale xy e presenta centralmente un'apertura passante, definente una finestra 4, che la attraversa per un suo intero spessore.
La massa inerziale 3 presenta inoltre una pluralità di fori 5, di dimensioni molto ridotte rispetto alla suddetta finestra 4, che la attraversano per l'intero spessore, consentendo, durante il procedimento di fabbricazione il suo rilascio (e la conseguente disposizione sospesa al di sopra del substrato 2) mediante attacco chimico di un sottostante materiale sacrificale, ad esempio di materiale dielettrico (in modo qui non illustrato).
La struttura di rilevamento 1 comprende inoltre una struttura di ancoraggio di rotore 6 (definita così in quanto accoppiata, come descritto in seguito, alla massa inerziale, o di rotore); la struttura di ancoraggio di rotore 6 è disposta centralmente all'interno della finestra 4 parallelamente alla superficie superiore 2a del substrato 2, avente conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy e, nell'esempio illustrato, estensione longitudinale lungo il primo asse orizzontale x.
La struttura di ancoraggio di rotore 6 è solidalmente accoppiata (ancorata) al substrato 2 mediante un elemento di ancoraggio di rotore 7, che si estende a pilastro tra la superficie superiore 2a del substrato 2 e la stessa struttura di ancoraggio 6. L'elemento di ancoraggio di rotore 7 presenta anch'esso una conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy, con estensione minore rispetto alla struttura di ancoraggio di rotore 6, essendo disposto in corrispondenza di una porzione centrale della stessa struttura di ancoraggio di rotore 6.
La massa inerziale 3 è accoppiata elasticamente alla struttura di ancoraggio di rotore 6 mediante elementi di accoppiamento elastico 8, disposti all'interno della finestra 4 tra la stessa massa inerziale 3 e la struttura di ancoraggio di rotore 6, da parti opposte della stessa struttura di ancoraggio di rotore 6, nella direzione del primo asse orizzontale x.
In particolare, gli elementi di accoppiamento elastico 8 sono configurati in modo da consentire il movimento della massa inerziale 3 lungo il primo asse orizzontale x rispetto al substrato 2, risultando cedevoli a deformazioni lungo lo stesso primo asse orizzontale x (e sostanzialmente rigidi rispetto a deformazioni lungo differenti direzioni nel piano orizzontale xy, o trasversali allo stesso piano orizzontale xy) .
La massa inerziale 3 porta inoltre un certo numero di elettrodi mobili 9 (anche definiti come "elettrodi di rotore"), accoppiati solidalmente alla stessa massa inerziale 3 (essendo integrali o "di pezzo" con tale massa inerziale 3); gli elettrodi mobili 9 si estendono all'interno della finestra 4 a partire dalla stessa massa inerziale 3. Ad esempio, gli elettrodi mobili 9 presentano conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy e si estendono lungo il secondo asse orizzontale y (nell'esempio, sono presenti due elettrodi mobili 9, che si estendono da parti opposte rispetto alla struttura di ancoraggio di rotore 6, allineati lungo il secondo asse orizzontale y) . Così come la massa inerziale 3, gli elettrodi mobili 9 sono sospesi al di sopra del substrato 2, parallelamente alla superficie superiore 2a dello stesso substrato 2,
La struttura di rilevamento 1 comprende inoltre un certo numero di primi elettrodi fissi 10a e di secondi elettrodi fissi 10b (anche definiti come ''elettrodi di statore"), disposti all'interno della finestra 4, da parti opposte di un rispettivo elettrodo mobile 9 nella direzione del primo asse orizzontale x ed affacciati allo stesso rispettivo elettrodo mobile 9 nel piano orizzontale xy.
I primi ed i secondi elettrodi fissi 10a, 10b hanno nell'esempio una conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy, con estensione lungo il secondo asse orizzontale y, parallelamente agli elettrodi mobili 9.
I primi ed i secondi elettrodi fissi 10a, 10b sono inoltre accoppiati rigidamente al substrato 2 mediante rispettivi elementi di ancoraggio di statore 12a, 12b, che si estendono a pilastro tra la superficie superiore 2a del substrato 2 e gli stessi primi e secondi elettrodi fissi 10a, 10b. Gli elementi di ancoraggio di statore 12a, 12b presentano anch'essi una conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy, con estensione minore rispetto ai relativi elettrodi fissi 10a, 10b, essendo disposti in corrispondenza di una porzione centrale degli stessi elettrodi fissi 10a, 10b.
I primi elettrodi fissi 10a ed i secondi elettrodi fissi 10b sono polarizzati (ad esempio attraverso il relativo elemento di ancoraggio di statore 12a, 12b) ad una rispettiva tensione di polarizzazione, differente rispetto alla tensione di polarizzazione alla quale sono polarizzati gli elettrodi mobili 9 (ad esempio, tramite un percorso conduttivo che include l'elemento di ancoraggio di rotore 7, la struttura di ancoraggio di rotore 6, gli elementi di accoppiamento elastico 8 e la massa inerziale 3, in questo caso tutti includenti materiale elettricamente conduttivo).
In uso, una componente di accelerazione agente nel piano orizzontale, nell'esempio lungo il primo asse orizzontale x, determina lo spostamento, per effetto inerziale, della massa inerziale 3 da una posizione di riposo, lungo lo stesso primo asse orizzontale x, e l'avvicinamento degli elettrodi mobili 9 ai primi elettrodi fissi 10a (o ai secondi elettrodi fissi 10b) e l'allontanamento degli stessi elettrodi mobili 9 dai secondi elettrodi fissi 10b (o dai primi elettrodi fissi 10a).
Di conseguenza, si verifica una variazione capacitiva differenziale tra un primo condensatore di rilevamento Ci, a facce piane e parallele, formato tra gli elettrodi mobili 9 ed i primi elettrodi fissi IOa, ed un secondo condensatore di rilevamento C2, anch'esso a facce piane e parallele, formato tra gli elettrodi mobili 9 ed i secondi elettrodi fissi 10b; tale variazione capacitiva è proporzionale al valore dell'accelerazione agente sulla struttura di rilevamento 1.
L'accelerometro MEMS comprende inoltre un opportuno circuito elettronico di lettura (cosiddetto ASIC Application Specific Integrated Circuit), accoppiato elettricamente alla struttura di rilevamento 1, che riceve in ingresso la suddetta variazione capacitiva differenziale dei condensatori di rilevamento Ci, C2, e la elabora in modo da determinare il valore dell'accelerazione, per la generazione di un segnale elettrico di uscita (che viene fornito all'esterno dell' accelerometro MEMS, per successive elaborazioni) .
Il suddetto circuito elettronico di lettura e la struttura di rilevamento 1 sono tipicamente realizzati in rispettive piastrine (die) di materiale semiconduttore, che vengono racchiuse all'interno di un contenitore, cosiddetto ''package'', che racchiude e protegge le stesse piastrine, fornendo inoltre un'interfaccia di collegamento elettrico verso l'esterno; in soluzioni cosiddette di "incapsulamento a livello di substrato" ("substrate-level package"), il package è realizzato mediante uno o più strati di base e di cappuccio, che vengono direttamente accoppiati alle piastrine del dispositivo MEMS, costituendone l'interfaccia meccanica ed elettrica verso l'esterno.
In figura 2 viene mostrato schematicamente un accelerometro MEMS 13, che include un package 14, che racchiude: una prima piastrina 15a, in cui è realizzato il circuito elettronico ASIC; una seconda piastrina 15b, in cui è realizzata la struttura di rilevamento 1 (includente il substrato 2, al di sopra del quale sono realizzati la massa inerziale 3, gli elettrodi mobili 9 ed i primi e i secondi elettrodi fissi 10a, 10b), disposta impilata alla prima piastrina 15a; ed un cappuccio 15c, disposto al di sopra della disposizione impilata della prima e della seconda piastrina 15a, 15b.
Il package 14 comprende inoltre: uno strato di base 16, che supporta la suddetta disposizione impilata della prima e della seconda piastrina 15a, 15b e del cappuccio 15c, e presenta una superficie esterna 16a, che costituisce una superficie esterna del package 14 e porta elementi di collegamento elettrico con l'esterno, ad esempio sotto forma di piazzole di collegamento elettrico 18; ed una regione di incapsulamento 19, ad esempio di resina epossidica, che circonda la suddetta disposizione impilata della prima e della seconda piastrina 15a, 15b e del cappuccio 15c, e definisce superfici esterne laterali e superiore dello stesso package 14, destinate ad essere a contatto con l'ambiente esterno.
La presente Richiedente ha constatato che la struttura di rilevamento 1 precedentemente descritta può essere soggetta ad errori di misura anche significativi qualora si verifichino stress e deformazioni, ad esempio al variare della temperatura o delle condizioni ambientali, o a causa di sollecitazioni meccaniche.
In particolare, il package di un sensore microelettromeccanico è soggetto a deformazioni al variare della temperatura, dovute ai diversi coefficienti di dilatazione termica e ai diversi valori del modulo di Young dei differenti e variegati materiali di cui è composto, potendo causare corrispondenti deformazioni del substrato 2 della struttura di rilevamento 1 contenuta al suo interno; analoghe deformazioni si possono verificare a causa dell'invecchiamento dei materiali, o di particolari stress indotti dall'esterno, ad esempio in occasione della saldatura del package su un circuito stampato, o in seguito all'assorbimento di umidità da parte dei materiali che costituiscono lo stesso package.
Come mostrato schematicamente in figura 3a, in presenza di deformazioni del substrato 2, ad esempio dovute ad uno stress termico dovuto ad un gradiente di temperatura positivo (ΔΤ>0), può ad esempio verificarsi un rigonfiamento della superficie superiore 2a del substrato 2 (la figura 3a mostra in maniera accentuata tale deformazione), che può comportare un allontanamento degli elettrodi fissi 10a, 10b dal relativo elettrodo mobile 9, rispetto ad una condizione iniziale di riposo, in assenza di accelerazione esterna.
In particolare, in figura 3b è indicata con g0la distanza a riposo ed in assenza di deformazioni, e sono indicati con<χ>ι,ΔΤe Χ2,ΔΤ gli spostamenti rispetto alla condizione a riposo dovuti alla deformazione del substrato 2 (che risultano variabili in funzione della temperatura, o in generale di tutti quegli effetti in grado di indurre deformazioni dello stesso substrato 2),
Tali spostamenti comportano le seguenti variazioni dei valori delle capacità di rilevamento Ci, C2, indesiderate, in quanto non legate all'accelerazione da rilevare:
■A
C^Ι,ΔΓ=-<a>; e
go+ ■ "Ψ
c<V>-'2,&T=
go<X>2,AT
Analogamente, con riferimento alle figure 4a e 4b, un gradiente di temperatura negativo (ΔΤ<0) comporta, a causa di un avvallamento della superficie superiore 2a del substrato 2, le seguenti variazioni indesiderate dei valori delle capacità di rilevamento Ci, C2, a causa questa volta di un avvicinamento degli elettrodi fissi 10a, 10b al relativo elettrodo mobile 9, rispetto alla condizione iniziale di riposo:
r<■>A
>AT- £n
; e
__8ov„<X>^\ALT
So<X>2,AT
Tali variazioni capacitive causano dunque una modifica indesiderata (cosiddetto "drift" o "offset") del segnale di uscita a riposo fornito dall'accelerometro MEMS, denominato "zero-g level" ("livello di 0 g"), ed un conseguente errore nel rilevamento di accelerazione.
Per ovviare a tale inconveniente sono state proposte svariate soluzioni, che non risultano tuttavia del tutto soddisfacenti.
Alcune soluzioni prevedono l'ottimizzazione della struttura di rilevamento delle accelerazioni.
Ad esempio, in US 2011/0023604 viene descritta una struttura di rilevamento, in cui il posizionamento degli ancoraggi di rotore e di statore è ottimizzato al fine di ridurre le variazioni dei parametri elettrici dovuti alle deformazioni del substrato.
Tuttavia, tale soluzione, se pur vantaggiosa, si riferisce ad un accelerometro ad asse z, di tipo verticale, ovvero progettato per il rilevamento di accelerazioni ortogonali al piano orizzontale di estensione principale della relativa massa di rotore.
Altre soluzioni prevedono l'ottimizzazione del relativo package. Ad esempio, è stato a tal fine proposto l'utilizzo di substrati ceramici, in grado di presentare una ridotta sensibilità alle deformazioni.
Tuttavia, tale soluzione comporta maggiori difficoltà nel procedimento di fabbricazione e costi in generale più elevati; inoltre, le dimensioni dei package ceramici risultano generalmente più elevate rispetto a package tradizionali di materiale plastico.
La presente soluzione si prefigge dunque lo scopo di risolvere i problemi precedentemente evidenziati, ed in particolare di fornire un dispositivo sensore microlettromeccanico, che presenti ridotte derive delle sue caratteristiche elettriche in risposta a variazioni termiche o a stress meccanici o ambientali di varia natura.
Secondo la presente invenzione viene pertanto fornito un dispositivo sensore microelettromeccanico, come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura la è una vista in pianta schematica di una struttura di rilevamento di un dispositivo sensore MEMS, di tipo noto;
- la figura lb è una vista in sezione della struttura di rilevamento di figura la in condizione di riposo;
- la figura 2 è una sezione schematica del dispositivo sensore MEMS e di un relativo package;
- le figure 3a-3b sono diagrammi schematici relativi alla struttura di rilevamento del dispositivo sensore MEMS in presenza di una prima deformazione di un relativo substrato;
- le figure 4a-4b sono diagrammi schematici relativi alla struttura di rilevamento del dispositivo sensore MEMS in presenza di una seconda deformazione di un relativo substrato;
- la figura 5 è una vista in pianta schematica di una struttura di rilevamento di un dispositivo sensore MEMS, in accordo con una prima forma di realizzazione della presente soluzione;
- la figura 6 è una vista in pianta schematica di una struttura di rilevamento di un dispositivo sensore MEMS, in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente soluzione; e
- la figura 7 è un diagramma a blocchi di massima di un apparecchio elettronico incorporante un dispositivo sensore MEMS secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione.
Come sarà descritto in dettaglio nel seguito, un aspetto della presente soluzione prevede di realizzare la struttura di rilevamento del dispositivo sensore MEMS in modo tale che gli elettrodi mobili e gli elettrodi fissi (definenti i condensatori di rilevamento) siano accoppiati meccanicamente al substrato mediante una stessa struttura di sospensione, in modo che eventuali deformazioni indotte dal package nel substrato si riflettano in maniera equivalente sugli stessi elettrodi mobili e fissi, rendendo il rilevamento sostanzialmente insensibile alle stesse deformazioni, così da evitare o ridurre notevolmente eventuali modifiche del segnale di uscita a riposo fornito dallo stesso dispositivo sensore MEMS (il cosiddetto drift del livello di 0 g).
Come mostrato in figura 5, una struttura di rilevamento secondo un aspetto della presente soluzione, indicata nel suo insieme con 20, comprende una struttura di sospensione 21, configurata per la sospensione rispetto al substrato, qui nuovamente indicato con 2, sia dello statore (struttura fissa, includente gli elettrodi fissi) sia del rotore (struttura mobile, includente la massa inerziale e gli associati elettrodi mobili) della stessa struttura di rilevamento 20.
In particolare, la struttura di sospensione 21 è configurata in modo da accoppiare lo statore ed il rotore della struttura di rilevamento 20 ad una struttura di ancoraggio 23 al substrato 2, in questo caso in comune e condivisa per lo statore ed il rotore della stessa struttura di rilevamento 20.
La struttura di sospensione 21 presenta una conformazione a cornice, con forma ad anello rettangolare nel piano orizzontale xy, con una prima coppia di porzioni di cornice affacciate, 21a, 21b (nel seguito prima e seconda porzione di cornice 21a, 21b), nell'esempio aventi estensione lungo il primo asse orizzontale x, ed una seconda coppia di porzioni di cornice affacciate, 2le, 21d (nel seguito terza e quarta porzione di cornice 21c, 21d), nell'esempio aventi estensione (minore rispetto all'estensione delle porzioni di cornice della prima coppia) lungo il secondo asse orizzontale y.
In particolare, la struttura di sospensione 21 include internamente regioni di isolamento elettrico 22, che isolano elettricamente tra di loro le porzioni di cornice di ciascuna coppia dalle porzioni di cornice dell'altra coppia.
Sono presenti dunque quattro regioni di isolamento elettrico 22; due regioni di isolamento elettrico 22 per separare la prima porzione di cornice 21a dalla terza e dalla quarta porzione di cornice 21c, 21d; e due ulteriori regioni di isolamento elettrico 22 per separare la seconda porzione di cornice 21b dalle stesse terza e quarta porzione di cornice 21c, 21d.
Le regioni di isolamento elettrico 22 sono formate ad esempio da regioni di materiale dielettrico interposte tra le porzioni di cornice 21a-21d, o realizzano giunzioni PN polarizzate inversamente con le stesse porzioni di cornice 21a-21d, in ogni caso essendo configurate per realizzare un isolamento elettrico tra le relative porzioni di cornice 2la-2ld.
Come sarà evidenziato anche in seguito, le regioni di isolamento elettrico 22 permettono così di dividere lo statore della struttura di rilevamento 20 dal rotore della stessa struttura di rilevamento 20 nel dominio elettrico e di far sì che gli stessi statore e rotore costituiscano un unico elemento mobile nel dominio meccanico (per quanto riguarda la risposta alle deformazioni del package).
La struttura di sospensione 21 definisce al suo interno una finestra 24, che presenta una forma rettangolare nel piano orizzontale xy e che la attraversa per l'intero spessore lungo la direzione verticale z.
La struttura di ancoraggio 23 comprende porzioni di ancoraggio 26, disposte al di sopra della superficie superiore 2a del substrato 2, esternamente alla struttura di sospensione 21, ed accoppiate meccanicamente in maniera solidale allo stesso substrato 2 mediante elementi di ancoraggio 27, che si estendono a pilastro tra la superficie superiore 2a del substrato 2 e le stesse porzioni di ancoraggio 26.
Gli elementi di ancoraggio 27 sono disposti centralmente rispetto alle porzioni di ancoraggio 26, aventi nell'esempio una conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy.
La struttura di sospensione 21 è collegata elasticamente alla struttura di ancoraggio 23 mediante elementi elastici di sospensione 28, che si estendono, nell'esempio linearmente, tra la stessa struttura di sospensione 21 e le porzioni di ancoraggio 26.
Attraverso la struttura di sospensione 21 e gli elementi elastici di sospensione 28, eventuali spostamenti causati dalle deformazioni del package vengono trasferiti in maniera equivalente sia allo statore sia al rotore della struttura di rilevamento 20; in questo modo, il rotore e lo statore, in risposta a tali eventuali deformazioni, si spostano di una stessa quantità ed in una stessa direzione rendendo di fatto insensibile l'uscita di rilevamento rispetto alle stesse deformazioni.
Nella forma di realizzazione illustrata in figura 5, la struttura di ancoraggio 23 comprende quattro porzioni di ancoraggio 26, disposte in corrispondenza dei vertici della struttura di sospensione 21 nel piano orizzontale xy. Gli elementi elastici di sospensione 28, anch' essi in numero pari a quattro, si estendono a partire dai suddetti vertici della struttura di sospensione 21, ciascuno verso la rispettiva porzione di ancoraggio 26, con inclinazione di circa 45° rispetto al primo o al secondo asse orizzontale x,y, allineati a coppie lungo la direzione delle diagonali della stessa struttura di sospensione 21.
Nella forma di realizzazione illustrata, le porzioni di ancoraggio 26 presentano una forma rettangolare nel piano orizzontale xy, con lati inclinati di circa 45° rispetto al primo ed al secondo asse orizzontale xy, e lati maggiori sostanzialmente ortogonali agli elementi elastici di sospensione 28, che si estendono tra gli stessi lati maggiori e i vertici della struttura di sospensione 21. La struttura di rilevamento 20 comprende inoltre una massa inerziale (massa di rotore) 30, disposta all'interno della finestra 24 definita dalla struttura di sospensione 21, e collegata elasticamente alla stessa struttura di sospensione 21 mediante elementi di accoppiamento elastico 32.
La massa inerziale 30 presenta una conformazione sostanzialmente rettangolare nel piano orizzontale xy, con i due lati maggiori lungo il primo asse orizzontale x e i due lati minori lungo il secondo asse orizzontale y, nella forma di realizzazione illustrata.
In tale forma di realizzazione, sono presenti due elementi di accoppiamento elastico 32, che si estendono a partire dai lati minori della massa inerziale 30 fino ad una rispettiva tra la terza e la quarta porzione di cornice affacciata, 21c, 21d della struttura di sospensione 21. Ciascun elemento di accoppiamento elastico 32 comprende: una prima porzione di raccordo 32a, avente estensione rettilinea ed una prima estremità collegata ad una rispettiva tra la terza e la quarta porzione di cornice affacciata, 21c, 21d; una seconda porzione di raccordo 32b, avente estensione rettilinea ed una rispettiva prima estremità collegata ad un rispettivo lato minore della massa inerziale 30; ed una porzione di deformazione 32c, collegata tra le seconde estremità della prima e della seconda porzione di raccordo 32a, 32b, ed avente conformazione ad anello rettangolare con estensione maggiore lungo il secondo asse orizzontale y.
In uso, gli elementi di accoppiamento elastico 32 consentono il movimento inerziale della massa inerziale 30 lungo il primo asse orizzontale x, in risposta ad una accelerazione rilevata agente lungo lo stesso primo asse orizzontale x; in particolare, i lati maggiori delle porzioni di deformazione 32c degli elementi di accoppiamento elastico 32 sono configurati in modo da flettersi per consentire il suddetto movimento inerziale della massa inerziale 30.
Gli elementi elastici di sospensione 28 non consentono invece alcun movimento, per effetto inerziale, della struttura di sospensione 21, che rimane sostanzialmente immobile e non perturbata. Gli elementi elastici di sospensione 28 sono infatti rigidi rispetto a movimenti lungo l'asse di rilevamento (nell'esempio, il primo asse orizzontale x).
Di conseguenza, il suddetto movimento inerziale della massa inerziale 30 avviene in maniera relativa rispetto alla struttura di sospensione 21.
La struttura di rilevamento 20 comprende inoltre primi e secondi elettrodi fissi (elettrodi di statore) 35a, 35b disposti all'interno della finestra 24, accoppiati solidalmente alla struttura di sospensione 21, in particolare rispettivamente alla prima ed alla seconda porzione di cornice affacciata 21a, 21b della stessa struttura di sospensione 21 (risultando dunque anch'essi immobili rispetto al movimento inerziale della massa inerziale 30).
I primi e i secondi elettrodi fissi 35a, 35b sono accoppiati capacitivamente alla massa inerziale 30, in modo tale da formare un primo ed un secondo condensatore di rilevamento Ci, C2, che presentano una variazione di capacità differenziale in seguito allo spostamento della massa inerziale 30 lungo il primo asse orizzontale x.
In particolare, i primi e i secondi elettrodi fissi 35a, 35b sono polarizzati elettricamente ad un rispettivo primo e secondo potenziale, attraverso un percorso conduttivo che include la rispettiva prima o seconda porzione di cornice 21a, 21b e le porzioni di ancoraggio 26 e gli elementi di ancoraggio 27 collegati alla stessa prima o seconda porzione di cornice affacciata 21a, 21b.
I primi e secondi elettrodi fissi 35a, 35b presentano conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy, con estensione lungo il secondo asse orizzontale y, con una prima estremità collegata alla struttura di sospensione 21 ed una seconda estremità disposta all'interno della finestra 24.
In particolare, nella forma di realizzazione illustrata in figura 5, la massa inerziale 30 presenta due recessi 37a, 37b, disposti centralmente rispetto alla stessa massa inerziale 30 ed allineati lungo il secondo asse orizzontale y; i recessi 37a, 37b dividono la massa inerziale 30 in una prima ed in una seconda porzione 30a, 30b, raccordate da una porzione di raccordo centrale 30c.
I primi e i secondi elettrodi fissi 35a, 35b si estendono all'interno di tali recessi 37a, 37b, in modo tale da risultare in prossimità di, ed affacciati ad una rispettiva tra la prima e la seconda porzione 30a, 30b della massa inerziale 30, con cui formano un rispettivo tra il primo ed il secondo condensatore di rilevamento Ci, C2. Le stesse prima e seconda porzione 30a, 30b della massa inerziale 30 costituiscono in questo caso esse stesse gli elettrodi mobili della struttura di rilevamento 20.
Tali elettrodi mobili sono polarizzati elettricamente ad un potenziale comune, attraverso un percorso conduttivo che include, nell'esempio, la quarta porzione di cornice 21d e la porzione di ancoraggio 26 e l'elemento di ancoraggio 27 collegati alla stessa quarta porzione di cornice affacciata 21d.
In uso, in risposta ad una componente di accelerazione agente lungo l'asse di rilevamento (nell'esempio il primo asse orizzontale x), la massa inerziale 30 si muove per effetto inerziale lungo lo stesso asse di rilevamento, grazie alla deformazione degli elementi elastici di accoppiamento 32.
Per effetto di tale movimento, si verifica un avvicinamento/allontanamento tra i primi elettrodi fissi 35a e la massa inerziale 30 (in particolare, la relativa prima porzione 30a) ed un corrispondente allontanamento/avvicinamento tra i secondi elettrodi fissi 35b e la massa inerziale 30 (in particolare, la relativa seconda porzione 30b); si verifica dunque una variazione capacitiva differenziale del primo e del secondo condensatore di rilevamento Ci, C2, che viene elaborata (in modo noto, qui non descritto in dettaglio) dal circuito ASIC associato alla struttura di rilevamento nel dispositivo sensore MEMS, per la generazione di un segnale elettrico di uscita.
Con riferimento alla figura 6, una ulteriore forma di realizzazione della struttura di rilevamento 20 può prevedere una differente disposizione degli elettrodi mobili e fissi atti a formare il primo ed il secondo condensatore di rilevamento Ci, C2.
In questo caso, la massa inerziale 30 presenta una conformazione rettangolare piena nel piano orizzontale xy, priva di recessi, e porta integralmente e solidalmente una pluralità di elettrodi mobili 39, che risultano sospesi al di sopra del substrato 2.
In particolare, gli elettrodi mobili 39 presentano conformazione rettangolare nel piano orizzontale xy e si estendono nell'esempio lungo il secondo asse orizzontale y (ortogonalmente all'asse di rilevamento), allineati da parti opposta della massa inerziale 30 lungo lo stesso secondo asse orizzontale y.
I primi elettrodi fissi 35a ed i secondi elettrodi fissi 35b risultano in tal caso in numero pari, ed interdigitati, agli elettrodi mobili 39 all'interno della finestra 24, essendo disposti affacciati e paralleli agli stessi elettrodi mobili 39; in particolare, i primi elettrodi fissi 35a sono disposti da parte opposta degli elettrodi mobili 39 rispetto ai secondi elettrodi fissi 35b, nella direzione del primo asse orizzontale x, in modo tale che ad un avvicinamento/allontanamento degli elettrodi mobili 39 rispetto ai primi elettrodi fissi 35a corrisponde un analogo allontanamento/avvicinamento degli elettrodi mobili 39 rispetto ai secondi elettrodi fissi 35b.
La figura 7 mostra inoltre un apparecchio elettronico 40, in cui possono essere utilizzati la struttura di rilevamento 20 ed il relativo dispositivo sensore di accelerazione ad asse nel piano orizzontale xy, qui indicato con 41.
Il dispositivo sensore MEMS 41 include, oltre alla suddetta struttura di rilevamento 20, un circuito ASIC 43 che realizza la relativa interfaccia di lettura (e che può essere realizzato nella stessa piastrina - ''die" - in cui è realizzata la struttura di rilevamento 20 o in una differente piastrina, che può comunque essere alloggiata nello stesso package, come discusso in precedenza con riferimento alla figura 2).
L'apparecchio elettronico 40 è preferibilmente un apparecchio 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 videogiochi, ecc.; l'apparecchio elettronico 40 è generalmente in grado di elaborare, memorizzare e/o trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.
L'apparecchio elettronico 40 comprende un microprocessore 44, che riceve i segnali di accelerazione rilevati dal dispositivo sensore MEMS 41, ed un'interfaccia di ingresso/uscita 45, ad esempio dotata di una tastiera e di un video, collegata al microprocessore 44. Inoltre, l'apparecchio elettronico 40 può comprendere un altoparlante 47, per generare suoni su un'uscita audio (non mostrata), ed una memoria interna 48.
I vantaggi del dispositivo sensore MEMS secondo la presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si sottolinea nuovamente come la presente soluzione consenta di minimizzare le derive delle prestazioni elettriche della struttura di rilevamento 20, dovute alle deformazioni del substrato 2, a causa ad esempio di variazioni di temperatura o di sollecitazioni meccaniche, ad esempio derivanti dalla saldatura ad un circuito stampato o a cause di altra natura (quale invecchiamento o assorbimento di umidità).
La struttura di rilevamento 20 risulta in tal modo estremamente stabile, indipendentemente dalle condizioni di utilizzo e di assemblaggio nel relativo package.
Le prestazioni generali di rilevamento, in termini ad esempio della sensibilità, non risultano inoltre variare rispetto a soluzioni tradizionali, dato che il meccanismo di rilevamento non viene modificato, così come non vengono sostanzialmente modificate la conformazione e la disposizione degli elettrodi di rilevamento rispetto alla massa inerziale 30,
La soluzione descritta non prevede neppure modifiche sostanziali al procedimento di fabbricazione normalmente utilizzato, impiegando sostanzialmente le stesse fasi di crescita e di attacco selettivo di strati di materiale al di sopra del substrato 2.
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 la struttura di rilevamento 20 può essere disposta nel piano orizzontale per rilevare una componente di accelerazione diretta lungo il secondo asse orizzontale y, in maniera del tutto analoga a quanto discusso in precedenza.
Alcuni aspetti della struttura di rilevamento 20 potrebbero inoltre variare, senza che questo comporti modifiche sostanziali alla soluzione proposta. Ad esempio, è evidente che il numero di porzioni di ancoraggio 26 collegate alla struttura di sospensione 21, nonché la loro disposizione rispetto alla stessa struttura di sospensione 21, potrebbero variare rispetto a quanto illustrato a titolo puramente esemplificativo.
Il numero di elettrodi di rilevamento (elettrodi fissi 35a, 35b ed elettrodi mobili 40) potrebbe variare rispetto a quanto illustrato, potendo infatti essere presente un numero maggiore di elettrodi, oppure anche una sola coppia di elettrodi, nel caso in cui non si adottasse uno schema di rilevamento differenziale.
È chiaro inoltre che la soluzione descritta può essere applicata vantaggiosamente anche in differenti tipologie di dispositivi sensori MEMS in cui sia richiesto il rilevamento di una variazione capacitiva, ad esempio in sensori giroscopici.
È infine evidente che la soluzione descritta si applica in maniera equivalente a sensori monoassiali o a sensori biassiali o triassiali in grado di rilevare accelerazioni (o differenti grandezze) anche lungo il secondo asse orizzontale y e/o lungo l'asse verticale z (essendo tali sensori dotati a tal fine di ulteriori strutture ed elettrodi mobili e fissi, realizzati e disposti in maniera di per sé nota).

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo sensore MEMS (41) dotato di una struttura di rilevamento microelettromeccanica (20), comprendente; - un substrato (2) avente una superficie superiore (2a) con estensione in un piano orizzontale (xy); - una massa inerziale (30), sospesa al di sopra di detto substrato (2); - elementi elastici di accoppiamento (32), collegati elasticamente a detta massa inerziale (30), in modo da consentirne il movimento inerziale rispetto a detto substrato (2), in funzione di una grandezza da rilevare lungo un asse di rilevamento (x) appartenente a detto piano orizzontale (xy); ed elettrodi di rilevamento (35a, 35b), accoppiati capacitivamente a detta massa inerziale (30) in modo da formare almeno un condensatore di rilevamento (Ci, C2), un cui valore di capacità è indicativo di detta grandezza da rilevare, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura di sospensione (21), a cui detti elettrodi di rilevamento (35a, 35b) sono accoppiati rigidamente, e a cui detta massa inerziale (30) è accoppiata elasticamente attraverso detti elementi elastici di accoppiamento (32); detta struttura di sospensione (21) essendo collegata ad una struttura di ancoraggio (23), solidale a detto substrato (2), mediante elementi elastici di sospensione (28).
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura di sospensione (21) ha una conformazione a cornice in detto piano orizzontale (xy) e definisce internamente una finestra (24) in cui sono alloggiati detti elettrodi di rilevamento (35a, 35b) e detta massa inerziale (30).
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti elementi elastici di sospensione (28) sono configurati in modo da accoppiare elasticamente la struttura di sospensione (21) al substrato (2).
  4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi elastici di sospensione (28) sono configurati in modo da trasmettere eventuali deformazioni di detto substrato (2) in maniera equivalente a detta massa inerziale (30) e a detti elettrodi di rilevamento (35a, 35b).
  5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di sospensione (21) ha una conformazione a cornice in detto piano orizzontale (xy), e detta struttura di ancoraggio (23) comprende porzioni di ancoraggio (26), solidali a detto substrato (2), disposte esternamente a detta struttura di sospensione (21) ed accoppiate a detta struttura di sospensione (21) tramite rispettivi di detti elementi elastici di sospensione (28); in cui detti elementi elastici di sospensione (28) presentano una conformazione rettilinea,
  6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui dette porzioni di ancoraggio (26) sono disposte in corrispondenza dei vertici di detta struttura di sospensione (21), e detti elementi elastici di sospensione (28) si estendono a partire da detti vertici verso una rispettiva porzione di ancoraggio (26), allineati a coppie con inclinazione opposta rispetto a detto asse di rilevamento (x),
  7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di sospensione (21) include al suo interno regioni di isolamento elettrico (22), per isolare elettricamente prime porzioni (21a, 21b) di detta struttura di sospensione (21), collegate solidalmente a detti elettrodi di rilevamento (35a, 35b), da seconde porzioni (21c, 21d) di detta struttura di sospensione (21), collegate elasticamente a detta massa inerziale (30).
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui dette prime porzioni (21a, 21b) e dette seconde porzioni (21c, 21d) di detta struttura di sospensione (21) sono poste in uso a tensioni di polarizzazione elettrica differenti tra loro; ed in cui detta massa inerziale (30) è polarizzata elettricamente attraverso detti elementi elastici di accoppiamento (32).
  9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta massa inerziale (30) comprende elettrodi mobili (39), accoppiati capacitivamente a detti elettrodi di rilevamento (35a, 35b), in modo tale da definire detto almeno un condensatore di rilevamento (Ci, C2); ed in cui detti elettrodi mobili (39) e detti elettrodi fissi (35a, 35b) sono disposti in configurazione interdigitata.
  10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi di accoppiamento elastico (32) sono cedevoli a flessione lungo detto asse di rilevamento (x), in modo da consentire il movimento inerziale di detta massa inerziale (30).
  11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, in cui detti elementi di accoppiamento elastico (32) comprendono ciascuno: una prima porzione di raccordo (32a), avente estensione rettilinea ed una prima estremità collegata a detta struttura di sospensione (21); una seconda porzione di raccordo (32b), avente estensione rettilinea ed una rispettiva prima estremità collegata a detta massa inerziale (30); ed una porzione di deformazione (32c), collegata tra le seconde estremità della prima e della seconda porzione di raccordo (32a, 32b), ed avente conformazione ad anello rettangolare con estensione trasversale a dette prima e seconda porzione di raccordo (32a, 32b).
  12. 12. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi elastici di sospensione (28) sono configurati in modo da essere rigidi rispetto a movimenti lungo detto asse di rilevamento (X).
  13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un circuito elettronico di lettura (43) accoppiato elettricamente a detta struttura di rilevamento microelettromeccanica (20), per elaborare una variazione della capacità di detto almeno un condensatore di rilevamento (Ci, C2), in funzione di detta grandezza da rilevare.
  14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detta struttura di rilevamento microelettromeccanica (20) e detto circuito elettronico di lettura (43) realizzano un accelerometro ad asse di rilevamento nel piano orizzontale (xy), atto a rilevare un'accelerazione diretta lungo detto asse di rilevamento (x).
  15. 15. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo sensore MEMS (41) dotato di una struttura di rilevamento microelettromeccanica (20), comprendente: formare un substrato (2) avente una superficie superiore (2a) con estensione in un piano orizzontale (xy); - formare una massa inerziale (30), sospesa al di sopra di detto substrato (2); - formare elementi elastici di accoppiamento (32), collegati elasticamente a detta massa inerziale (30), in modo da consentirne il movimento inerziale rispetto a detto substrato (2), in funzione di una grandezza da rilevare lungo un asse di rilevamento (x) appartenente a detto piano orizzontale (xy); e formare elettrodi di rilevamento (35a, 35b), accoppiati capacitivamente a detta massa inerziale (30) in modo da formare almeno un condensatore di rilevamento (Ci, C2), un cui valore di capacità è indicativo di detta grandezza da rilevare, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di formare una struttura di sospensione (21), a cui detti elettrodi di rilevamento (35a, 35b) sono accoppiati rigidamente, e a cui detta massa inerziale (30) è accoppiata elasticamente attraverso detti elementi elastici di accoppiamento (32); detta struttura di sospensione (21) essendo collegata ad una struttura di ancoraggio (23), solidale a detto substrato (2), mediante elementi elastici di sospensione (28).
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