IT202000018670A1 - Accelerometro mems a larga banda per la rilevazione di vibrazioni - Google Patents

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Gabriele Gattere
Patrick Fedeli
Carlo Valsazina
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: ?ACCELEROMETRO MEMS A LARGA BANDA PER LA RILEVAZIONE DI VIBRAZIONI?
La presente invenzione ? relativa ad un accelerometro microelettromeccanico (MEMS) a banda larga per la rilevazione di accelerazioni aventi frequenza elevata, come ad esempio nel caso di vibrazioni ad alta frequenza.
Come ? noto, sono oggigiorno molto diffusi sistemi di monitoraggio delle vibrazioni, i quali trovano largo impiego, ad esempio, nell?ambito della manutenzione sulla base delle condizioni (?condition-based maintenance?) di macchinari, ed in particolare sulla base dello stato di utilizzo (?usage?). Infatti, ? noto come il monitoraggio delle vibrazioni a cui ? soggetto un componente meccanico consenta, ad esempio, di rilevare in anticipo l?insorgere di problemi/danneggiamenti.
Tipicamente, i sistemi di monitoraggio di vibrazioni si avvalgono di accelerometri, al fine di rilevare, ad esempio, variazioni di ampiezza o frequenza delle forze che agiscono sui componenti. Pi? in generale, ? noto l?impiego di sensori accelerometrici con sensibilit? fino a frequenze dell?ordine degli 80kHz.
In generale, sensori con bande (?bandwidths?) differenti trovano tipicamente impieghi differenti. A titolo puramente esemplificativo, nell?ambito del monitoraggio del disallineamento degli alberi di motori elettrici, sono tipicamente impiegati sensori accelerometrici aventi bande ridotte (ad esempio, fino a 3 kHz), mentre nell?ambito del rilevamento delle rotture dei cuscinetti dei ventilatori si usano sensori accelerometrici aventi bande elevate (ad esempio, fino a 80 kHz).
Tutto ci? premesso, ? sentita l?esigenza di trovare un buon bilanciamento tra i costi e le prestazioni dei sensori. A tal proposito, sono stati sviluppati sensori MEMS, come descritto ad esempio in F. Gerfers et al., ?Sub-?g Ultra-Low-Noise MEMS Accelerometers Based on CMOS-Compatible Piezoelectric AlN Thin Films?, Transducers & Eurosensors 2007, in cui si descrive l?impiego di una struttura con membrana, oppure in T. Kobayashi et al., ?A digital output piezoelectric accelerometer using CMOS-compatible AlN thin film?, Transducers 2009, in cui si descrive l?impiego di una struttura che include in elemento a sbalzo (?cantilever?) In generale, le strutture MEMS a membrana risultano soggette a stress meccanici residui, a causa della presenza di vincoli distribuiti e/o in numero relativamente elevato, che agiscono sulla membrana; tali stress meccanici residui comportano un degrado delle prestazioni. Al contrario, le strutture MEMS con elementi a sbalzo risultano meno soggette agli stress meccanici residui, a causa della presenza di un singolo vincolo, tuttavia sono sensibili sostanzialmente solo ad accelerazioni fuori piano, cio? sono essenzialmente monoassiali. Inoltre, in presenza di pi? elementi a sbalzo, le frequenze di risonanza degli elementi a sbalzo inevitabilmente differiscono tra loro, con conseguente riduzione della sensibilit?.
Scopo della presente invenzione ? quindi fornire un accelerometro che superi almeno in parte gli inconvenienti dell?arte nota.
Secondo la presente invenzione, viene fornito un accelerometro MEMS come definito nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne saranno ora descritte forme di realizzazione preferite, in modo puramente esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la figura 1 mostra schematicamente una sezione trasversale di un accelerometro, presa lungo una linea di sezione I-I mostrata in figura 2;
- la figura 2 mostra schematicamente una vista dall?alto di una sezione trasversale dell?accelerometro mostrato in figura 1, presa lungo una linea di sezione II-II mostrata in figura 1;
- la figure 3 e 4 mostrano schematicamente viste laterali di porzioni dell?accelerometro mostrato nelle figure 1-2, durante differenti condizioni operative;
- la figure 5 e 6 mostrano schematicamente viste laterali di porzioni dell?accelerometro mostrato nelle figure 1-2, durante differenti condizioni operative;
- la figura 7 mostra schematicamente una vista dall?alto di una sezione trasversale di un accelerometro;
- le figure 8A-8C mostrano schematicamente viste dall?alto dell?accelerometro mostrato in figura 7, durante differenti condizioni operative.
La figura 1 mostra un accelerometro MEMS 1, il quale comprende una struttura di supporto 2, la quale delimita una cavit? 4, al cui interno si estende una struttura sensibile 6. Senza alcuna perdita di generalit?, la struttura di supporto 2 pu? avere forma chiusa (ad esempio, esternamente pu? avere la forma di un parallelepipedo), nel qual caso la cavit? 4 ? chiusa, cio? non ? in comunicazione fluidica con il modo esterno. Inoltre, la struttura di supporto 2 ? formata ad esempio da silicio.
In maggior dettaglio, assumendo un sistema di riferimento ortogonale XYZ, la cavit? 4 ? delimitata superiormente ed inferiormente da, rispettivamente, una superficie superiore Stop ed una superficie inferiore Sbot, le quali sono parallele al piano XY; inoltre, la cavit? 4 ? delimitata lateralmente da una prima ed una seconda parete laterale Pl1, Pl2, le quali sono parallele al piano YZ, e da una terza ed una quarta parete laterale Pl3, Pl4 (visibili in figura 2), le quali sono parallele al piano XZ. La superficie superiore Stop, la superficie inferiore Sbot e la prima e la seconda parete laterale Pl1, Pl2 sono formate dalla struttura di supporto 2.
La struttura sensibile 6 ? vincolata alla prima, alla seconda, alla terza ed alla quarta parete laterale Pl1, Pl2 Pl3, Pl4, in modo da essere sospesa, a distanza, al di sopra della superficie inferiore Sbot.
In particolare, la struttura sensibile 6 comprende un primo, un secondo, un terzo ed un quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24, nonch? un primo, un secondo, un terzo ed un quarto gruppo sospeso G1, G2, G3, G4 ed un primo, un secondo, un terzo ed un quarto elemento a molla 41, 42, 43, 44.
In dettaglio, il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 sono uguali tra loro e sono disposti, in condizioni di riposo, in modo complanare, ad una medesima altezza lungo l?asse Z. In particolare, il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 hanno forma planare; a titolo puramente esemplificativo, il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 possono avere spessore (misurato lungo l?asse Z) compreso tra 10?m e 20?m.
Inoltre, il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 sono formati, ad esempio, da silicio.
In maggior dettaglio, ciascuno tra il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 include una rispettiva porzione deformabile (indicata rispettivamente con 21*, 22*, 23* e 24*) ed una rispettiva porzione distale (indicata rispettivamente con 21**, 22**, 23** e 24**).
Le porzioni deformabili 21*, 22*, 23* e 24* del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 hanno forma di parallelepipedi.
In particolare, assumendo un primo ed un secondo piano di simmetria SP1, SP2, paralleli rispettivamente al piano ZX ed al piano ZY, le porzioni deformabili 21*, 22* del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22 sono allungate parallelamente all?asse X e sono disposte, a distanza, in modo simmetrico rispetto al secondo piano di simmetria SP2. In maggior dettaglio, indicando con H1 e H2 le direzioni su cui giacciono rispettivamente gli assi baricentrici delle porzioni deformabili 21*, 22* del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22, le direzioni H1 e H2 sono in prima approssimazione coincidenti e parallele all?asse X. In aggiunta, la porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 e la porzione deformabile 22* del secondo elemento a sbalzo 22 hanno rispettive prima estremit?, le quali sono rispettivamente fissate alla prima ed alla seconda parete laterale Pl1, Pl2, e rispettive seconde estremit?. In pratica, il primo e il secondo elemento a sbalzo 21, 22 sono disposti in modo da essere uno opposto all?altro.
Le porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24 sono allungate parallelamente all?asse Y e sono disposte, a distanza, in modo simmetrico rispetto al primo piano di simmetria SP1. In maggior dettaglio, indicando con H3 e H4 le direzioni su cui giacciono rispettivamente gli assi baricentrici delle porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24, si verifica che, in prima approssimazione, e la direzioni H3 e H4 sono coincidenti e parallele all?asse Y. In aggiunta, la porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24 hanno rispettive prime estremit?, le quali sono rispettivamente fissate alla terza ed alla quarta parete laterale Pl3, Pl4, e rispettive seconde estremit?. In pratica, il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 23, 24 sono disposti in modo da essere uno opposto all?altro.
Il primo ed il secondo piano di simmetria SP1, SP2 si intersecano lungo un asse HX, parallelo all?asse Z. Inoltre, le porzioni distali 21**, 22**, 23**, 24** del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 sono rispettivamente solidali con le seconde estremit? delle porzioni deformabili 21*, 22*, 23*, 24* del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 e sovrastano rispettivamente il primo, il secondo, il terzo ed il quarto gruppo sospeso G1, G2, G3, G4. Come spiegato di seguito, e senza nessuna perdita di generalit?, in vista dall?alto le porzioni distali 21**, 22**, 23**, 24** del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24 hanno rispettivamente la medesima forma del primo, del secondo, del terzo e del quarto gruppo sospeso G1, G2, G3, G4.
In dettaglio, il primo, il secondo, il terzo ed il quarto gruppo sospeso G1, G2, G3, G4 sono uguali tra loro, hanno ad esempio la forma di prismi a basi poligonali con assi paralleli (in condizioni di riposo) all?asse Z, cio? le loro sezioni in piani paralleli al piano XY non variano al variare della coordinata lungo l?asse Z. I dettagli relativi alla forma dei gruppi sospesi sono comunque irrilevanti ai fini del funzionamento dell?accelerometro MEMS 1; a titolo puramente esemplificativo, in figura 2 i summenzionati prismi hanno una base (parallela al piano XY) che ha la forma piana ottenibile mediante giustapposizione di i) un trapezio isoscele con base minore rivolta verso l?asse HX e ii) un rettangolo con lato maggiore che coincide con la base maggiore del summenzionato trapezio isoscele. Sempre senza alcuna perdita di generalit?, le basi dei trapezi isosceli definiti in vista dall?alto dal primo e dal secondo gruppo sospeso G1, G2 sono paralleli all?asse Y, mentre le basi dei trapezi isosceli definiti in vista dall?alto dal terzo e dal quarto gruppo sospeso G3, G4 sono paralleli all?asse X.
Il primo, il secondo, il terzo ed il quarto gruppo sospeso G1, G2, G3, G4 sono rispettivamente fissati al di sotto delle porzioni distali 21**, 22**, 23**, 24** del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento sbalzo 21, 22, 23, 24.
Senza alcuna perdita di generalit?, nel seguito si assume che ciascuno tra il primo, il secondo, il terzo ed il quarto gruppo sospeso G1, G2, G3, G4 sia formato da una corrispondente regione principale (indicate rispettivamente con 31A, 32A, 33A, 34A), formata ad esempio da silicio, e da un corrispondente strato sommitale (indicati rispettivamente con 31B, 32B, 33B, 34B), formato ad esempio da ossido di silicio.
In maggior dettaglio, riferendosi ad esempio al primo gruppo sospeso G1 (ma uguali considerazioni si applicano anche al secondo, al terzo ed al quarto gruppo sospeso G2, G3, G4), il corrispondente strato sommitale 31B ? fissato superiormente alla porzione distale 21** del primo elemento a sbalzo 21 e sovrasta la sottostante regione principale 31A. Come accennato in precedenza e senza alcune perdita di generalit?, la porzione distale 21** del primo elemento a sbalzo 21, il sottostante strato sommitale 31B e la sottostante regione principale 31A hanno una medesima forma in vista dall?alto ed inoltre formano una massa mobile 31, alla quale nel seguito ci si riferisce come alla prima massa mobile 31. A titolo puramente esemplificativo, lo strato sommitale 31B e la sottostante regione principale 31A hanno spessori (misurati lungo l?asse Z) compresi ad esempio rispettivamente negli intervalli 1-2?m e 250-500?m. Analogamente, le porzioni distali 22**, 23**, 24** del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 22, 23, 24 formano, rispettivamente, una seconda, una terza ed una quarta massa mobile 32, 33, 34, rispettivamente con i sottostanti i) strato sommitale 32B e regione principale 32A, ii) strato sommitale 33B e regione principale 33A e iii) strato sommitale 34B e regione principale 34A.
In pratica, la prima e la seconda massa sospesa 31, 32 sono disposte in modo simmetrico rispetto al secondo piano di simmetria SP2. Similmente, la terza e la quarta massa sospesa 33, 34 sono disposte in modo simmetrico rispetto al primo piano di simmetria SP1. Da un altro punto di vista, la prima, la seconda, la terza e la quarta massa sospesa 31, 32, 33, 34 sono disposte ad una medesima distanza radiale dall?asse HX e sono angolarmente equispaziate tra loro, di 90?, in modo da essere disposte secondo i vertici di un ipotetico rombo.
Il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a molla 41, 42, 43, 44 hanno, ciascuno, una forma allungata ripiegata (?folded?), sono formati ad esempio da silicio e possono avere, in condizioni di riposo, il medesimo spessore (lungo Z) del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24, con i quali sono complanari.
In maggior dettaglio, ciascuno tra il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a molla 41, 42, 43, 44 ha una rispettiva prima estremit? ed un rispettiva seconda estremit?. Le prime estremit? del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a molla 41, 42, 43, 44 sono fissate rispettivamente alle porzioni distali 21**, 22**, 23**, 24** del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24, con le quali sono in contatto diretto e formano un unico pezzo. Le prime estremit? del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a molla 41, 42, 43, 44 sono quindi fissate, rispettivamente, alla prima, alla seconda, alla terza ed alla quarta massa mobile 31, 32, 33, 34. Le seconde estremit? del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a molla 41, 42, 43, 44 sono fissate tra loro, in corrispondenza dell?asse HX, in modo da formare un unico pezzo con forma a croce.
Il primo ed il secondo elemento a molla 41, 42 sono rigidi parallelamente l?asse Z, sono cedevoli parallelamente all?asse X e formano una prima struttura a molla M1. Il terzo ed il quarto elemento a molla 43, 44 sono rigidi parallelamente l?asse Z, sono cedevoli parallelamente all?asse Y e formano una seconda struttura a molla M2.
In pratica, le porzioni distali 21**, 22** del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22 sono collegate tra loro dalla prima struttura a molla M1, la quale ? cedevole parallelamente all?asse X ed ? rigida parallelamente all?asse Z. Similmente, le porzioni distali 23**, 24** del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24 sono collegate tra loro dalla seconda struttura a molla M2, la quale ? cedevole parallelamente all?asse Y ed ? rigida parallelamente all?asse Z. Come detto in precedenza, la prima e la seconda struttura a molla M1, M2 si intersecano tra loro e formano rispettivamente un primo ed un secondo braccio di una struttura a croce, tra loro perpendicolari.
Ci? premesso, la prima struttura a molla M1 ha una rigidit? lungo la direzione H1 (equivalentemente, H2) che ? inferiore alla rigidit? lungo la direzione H1 delle porzioni deformabili 21*, 22* del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22. La seconda struttura a molla M2 ha una rigidit? lungo la direzione H3 (equivalentemente, H4) che ? inferiore alla rigidit? lungo la direzione H3 delle porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24.
In aggiunta, i baricentri della prima e della seconda massa mobile 31, 32 (mostrati qualitativamente in Figura 1, dove sono indicati rispettivamente con B1 e B2) si trovano ad una altezza (misurata parallelamente all?asse Z) inferiore rispetto alle direzioni H1, H2. Inoltre, il baricentro B1 si trova ad un valore di coordinata lungo X maggiore rispetto alla seconda estremit? della porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21; il baricentro B2 si trova ad un valore di coordinata lungo X inferiore rispetto alla seconda estremit? della porzione deformabile 22* del primo elemento a sbalzo 22. Equivalentemente, dato un piano immaginario parallelo al piano XY e contenente le direzioni H1, H2, i baricentri B1, B2 della prima e della seconda massa mobile 31, 32 sono disposti al di sotto di detto piano immaginario e, lungo l?asse X, sono sfalsati, rispetto alle seconde estremit? delle porzioni deformabili dei corrispondenti elementi a sbalzo, in direzione dell?asse HX. Ancora in altre parole, in condizioni di riposo, la prima e la seconda massa mobile 31, 32 sono verticalmente e lateralmente sfalsate rispetto alla prima ed alla seconda porzione deformabile 21*, 22* del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22.
In prima approssimazione, e senza alcuna perdita di generalit?, i baricentri B1, B2 della prima e della seconda massa mobile 31, 32 sono complanari tra loro e con le direzioni H1, H2; in prima approssimazione, i baricentri B1, B2 e le direzioni H1, H2 giacciono nel primo piano di simmetria SP1. Similmente, sebbene non mostrato, i baricentri della terza e della quarta massa mobile 33, 34 si trovano ad una altezza inferiore rispetto alle direzioni H3, H4, in prima approssimazione giacciono insieme a queste ultime nel secondo piano di simmetria SP2 e sono lateralmente sfalsati, lungo l?asse Y ed in direzione dell?asse HX, rispetto alle seconde estremit? delle porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24.
L?accelerometro MEMS 1 comprende inoltre una prima, una seconda, una terza ed una quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52, 53, 54, le quali sono ad esempio uguali tra loro e, sebbene non mostrato, comprendono ciascuna una rispettiva coppia di elettrodi, tra i quali ? interposta una rispettiva regione di materiale piezoelettrico (ad esempio PZT).
Senza alcuna perdita di generalit?, la prima, la seconda, la terza e la quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52, 53, 54 si estendono rispettivamente sulle porzioni deformabili 21*, 22*, 23*, 24* del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24, quindi sono lateralmente sfalsate, rispettivamente, rispetto alla prima, alla seconda, alla terza ed alla quarta massa mobile 31, 32, 33, 34. Inoltre, sempre senza alcuna perdita di generalit?, la prima, la seconda, la terza e la quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52, 53, 54 si estendono lateralmente fin sulle prime estremit? delle porzioni deformabili 21*, 22*, 23*, 24* del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 21, 22, 23, 24, le quali, come detto, sono fissate alla struttura di supporto 2 e rappresentano zone soggette ad elevate deformazioni. Similmente, sebbene non mostrate, sono possibili varianti in cui la prima, la seconda, la terza e la quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52, 53, 54 si estendono parzialmente anche al di sopra di parte della struttura di supporto 2.
In maggior dettaglio, considerando ad esempio la prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51 (ma uguali considerazioni si applicano anche alle altre strutture piezoelettriche di rilevamento), essa ? disposta, a distanza, al di sopra dell?asse baricentrico del gruppo formato dalla porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 e dalla stessa prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51, il quale in prima approssimazione si pu? assumere essere coincidente con l?asse baricentrico della sola porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21, e quindi con la summenzionata direzione H1. Inoltre, la prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51 (ma uguali considerazioni si applicano anche alle altre strutture piezoelettriche di rilevamento ed ai corrispondenti assi baricentrici) ha una forma planare simmetrica rispetto al sottostante asse baricentrico della porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21, cio?, in vista dall?alto, essa ? suddivisa in due parti uguali da tale asse baricentrico.
Tutto ci? premesso, considerando la coppia formata dal primo elemento a sbalzo 21 e dalla prima massa mobile 31, e trascurando per il momento la presenza della prima struttura a molla M1, e dunque considerando per semplicit? la prima massa mobile 31 come disaccoppiata dalla seconda, dalla terza e dalla quarta massa mobile 32, 33, 34, si osserva quanto segue.
Nel caso in cui, come mostrato in figura 3, la prima massa mobile 31 sia soggetta ad una accelerazione (inerziale) parallela all?asse Z (ad esempio, diretta verso l?alto, come nel caso di una vibrazione tale per cui la struttura di supporto 2 ? soggetta ad una accelerazione diretta lungo l?asse Z, ma verso il basso), la porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 risulta soggetta ad un momento (?torque?) flettente diretto parallelamente all?asse Y, il quale si genera a causa dello sfasamento lungo l?asse X tra la prima massa mobile 31 e la seconda estremit? della porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21. Tale momento causa una deformazione, ed in particolare una compressione, della prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51, dal momento che, come spiegato in precedenza, la prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51 ? verticalmente sfalsata rispetto all?asse neutro del gruppo formato dalla porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 e dalla prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51, tale asse neutro essendo in prima approssimazione coincidente con il summenzionato asse baricentrico del gruppo formato dalla porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 e dalla prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51. Pertanto, la prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51 genera una tensione V1 tra i propri elettrodi, la quale dipende appunto dal summenzionato momento (?torque?) flettente, e quindi dall?entit? dell?accelerazione parallela all?asse Z.
Inoltre, anche nel caso in cui, come mostrato in figura 4, la prima massa mobile 31 sia soggetta ad una accelerazione (inerziale) parallela e concorde con l?asse X (come nel caso di una vibrazione tale per cui la struttura di supporto 2 sia soggetta ad una accelerazione diretta lungo l?asse X, ma con verso discorde), la porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 risulta soggetta ad un corrispondente momento (?torque?) flettente, il quale ? diretto ancora parallelamente all?asse Y, perch?, come spiegato in precedenza, il baricentro B1 della prima massa mobile 31 ? collocato al di sotto dell?asse baricentrico del gruppo formato dalla porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 e dalla prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51. Tale momento (?torque?) flettente causa una deformazione (in particolare, una compressione) della prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51, in maniera tale per cui la tensione V1 dipende dal momento (?torque?) stesso, e quindi dall?entit? dell?accelerazione parallela all?asse X. I momenti flettenti a cui la porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 risulta soggetta in caso di accelerazioni inerziali parallele rispettivamente all?asse X o all?asse Z sono tra loro paralleli e concordi.
Al contrario, nel caso (non mostrato) in cui la prima massa mobile 31 sia soggetta ad una accelerazione (inerziale) parallela e concorde con l?asse Y (come nel caso di una vibrazione tale per cui la struttura di supporto 2 sia soggetta ad una accelerazione diretta lungo l?asse Y, ma con verso discorde), la porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 risulta soggetta ad una torsione attorno alla direzione H1, il che comporta che parte della prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51 sia soggetta a trazione e parte sia soggetta a compressione, con la conseguenza che la tensione V1 risulta approssimativamente nulla.
Considerando invece la coppia formata dal secondo elemento a sbalzo 22 e dalla seconda massa mobile 32, e trascurando ancora la presenza della prima struttura a molla M1, si verifica quanto segue.
Nelle condizioni a cui si riferisce la figura 3, la seconda massa mobile 32 ? soggetta ad una accelerazione parallela e concorde con l?asse Z; la porzione deformabile 22* del secondo elemento a sbalzo 22 risulta quindi soggetta ad un momento (?torque?) flettente diretto parallelamente all?asse Y ed avente verso opposto rispetto al momento flettente a cui ? contemporaneamente soggetta la porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 31, in maniera tale per cui la seconda struttura piezoelettrica 52 subisce una deformazione simmetrica rispetto alla deformazione subita della prima struttura piezoelettrica 51 (in particolare, una compressione). Pertanto, la seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 52 genera una tensione V2 tra i propri elettrodi, la quale ? indicativa dell?entit? dell?accelerazione parallela all?asse Z. Idealmente, nelle condizioni a cui si riferisce la figura 3, la tensione V1 e la tensione V2 sono uguali.
Nelle condizioni a cui si riferisce la figura 4, la seconda massa mobile 32 ? soggetta ad una accelerazione parallela e concorde con l?asse X; la porzione deformabile 22* del secondo elemento a sbalzo 22 risulta soggetta ad un corrispondente momento (?torque?) flettente, il quale ? parallelo e concorde con il momento flettente a cui ? contemporaneamente soggetta la porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21. Infatti, mentre la prima massa mobile 31 e la seconda estremit? della porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 tendono ad innalzarsi, la seconda massa mobile 32 e la seconda estremit? della porzione deformabile 22* del secondo elemento a sbalzo 22 tendono ad abbassarsi. Conseguentemente, mentre la deformazione della prima struttura piezoelettrica di rilevamento 51 ? di tipo compressivo, la seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 52 ? soggetta a trazione e la tensione (?voltage?) V2 dipende dalla tensione (?strain?) a cui ? soggetta la seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 52; la tensione V2 ha quindi segno opposto rispetto alla tensione V1. Idealmente, nelle condizioni a cui si riferisce la figura 4, la tensione V1 e la tensione V2 hanno modulo uguale e segno opposto.
Mediante una circuiteria elettronica di tipo per s? noto e qui non mostrata, ? quindi ad esempio possibile generare un segnale sVZ?=V1+V2 ed un segnale sVX=V1-V2, i quali sono rispettivamente indicativi dell?accelerazione lungo Z e dell?accelerazione lungo X a cui ? soggetto l?accelerometro MEMS 1. A tal proposito, gli elettrodi inferiori della prima e della seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52 possono essere posti a massa, e gli elettrodi superiori della prima e della seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52 possono essere collegati in modo da generare i summenzionati segnali sVZ? e sVX.
Analoghe considerazioni si applicano al sottosistema formato dal terzo elemento a sbalzo 23, dalla terza massa sospesa 33, dalla terza struttura piezoelettrica di rilevamento 53 e dal quarto elemento a sbalzo 24, dalla quarta massa sospesa 34 e dalla quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 54.
In particolare, come mostrato in figura 5, la quale si riferisce alle medesime condizioni della figura 3, e cio? in presenza di una accelerazione inerziale lungo Z, le porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24 sono soggette a momenti flettenti paralleli e opposti, che causano un medesimo tipo di deformazione (compressione o trazione, a seconda del verso dell?accelerazione) della terza e della quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 53, 54. Invece, come mostrato in figura 6, la quale si riferisce al caso in cui sia presente una accelerazione inerziale lungo Y, le porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24 sono soggette a momenti flettenti paralleli e concordi, che causano deformazioni (compressione o trazione) di tipo opposto della terza e della quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 53, 54. Conseguentemente, indicando con V3 e V4 le tensioni generate rispettivamente dalla terza e dalla quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 53, 54, ed in indicando con sVZ? e sVY i segnali rispettivamente pari a V3+V4 e V3-V4, si verifica che i segnali sVZ? e sVY sono rispettivamente indicativi dell?accelerazione lungo Z e dell?accelerazione lungo Y a cui ? soggetto l?accelerometro MEMS 1. Inoltre, in presenza di una accelerazione lungo X, le tensioni V3 e V4 sono sostanzialmente nulle.
In aggiunta, riferendosi ad esempio all?accoppiamento elastico presente, grazie alla prima struttura a molla M1, tra la prima e la seconda massa mobile 31, 32, si verifica quanto segue.
Come detto in precedenza, lungo la direzione H1, e quindi parallelamente all?asse X, la prima struttura a molla M1 ? cedevole, a differenza delle porzioni deformabili 21*, 22* del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22. Conseguentemente, eventuali stress meccanici indesiderati che agiscono sulla struttura di supporto 2, ad esempio dovuti all?incapsulamento (?package?) (non mostrato), vengono compensati dalla prima struttura a molla M1, senza causare deformazioni delle porzioni deformabili 21*, 22* del primo e del secondo elemento deformabile 21, 22, e quindi senza falsare le tensioni generate dalla prima e della seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52.
Ad esempio, la prima struttura a molla M1 pu? assorbire gli stress dovuti all?incollaggio o alla saldatura della struttura di supporto 2 ad una rispettiva base dell?incapsulamento, i quali altrimenti indurrebbero stati tensili o compressivi della prima e della seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52.
In aggiunta, le porzioni deformabili 21*, 22* del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22, la prima e la seconda massa mobile 31, 32 e la prima struttura a molla M1 formano un sistema meccanico, il quale, trascurando per il momento la presenza della seconda struttura a molla M2 e del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24, pu? essere dimensionato in maniera tale per cui il modo (?mode?) in cui la prima e la seconda massa mobile 31, 32 oscillano in fase abbia una frequenza desiderata, inferiore alla frequenza del modo (?mode?) spurio, in cui la prima e la seconda massa mobile 31, 32 oscillano in controfase. A tal proposito, in assenza della prima struttura a molla M1, il sistema meccanico formato dalla porzione deformabile 21* del primo elemento a sbalzo 21 e dalla prima massa mobile 31 ed il sistema meccanico formato dalla porzione deformabile 22* del secondo elemento a sbalzo 22 e dalla seconda massa mobile 32 sarebbero indipendenti ed avrebbero modi di oscillazione indipendenti, con frequenze di risonanza differenti, il che richiederebbe di normalizzare le risposte elettriche fornite dalla prima e dalla seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 51, 52, in modo da neutralizzare le differenze dovute alle differenti frequenze di risonanza dei modi di oscillazione dei summenzionati due sistemi meccanici indipendenti. In definitiva, si verificherebbe comunque una riduzione della sensibilit?.
Le medesime considerazioni si applicano anche alla seconda struttura a molla M2, alla direzione H3 ed alle porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24, i quali si fanno carico di assorbire stress indesiderati presenti sulle prime estremit? del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24.
In pratica, le porzioni deformabili 23*, 24* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 23, 24, la terza e la quarta massa mobile 33, 34 e la seconda struttura a molla M2 formano il summenzionato sistema meccanico, insieme alle porzioni deformabili 21*, 22* del primo e del secondo elemento a sbalzo 21, 22, alla prima ed alla seconda massa mobile 31, 32 e alla prima struttura a molla M1. Tale sistema meccanico pu? quindi essere dimensionato in maniera tale per cui il cosiddetto modo (?mode?) operativo, cio? il modo eccitato dalle accelerazioni da rilevare, sia il primo modo, cio? il modo in cui la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 31, 32, 33, 34 oscillano in fase.
Sebbene non mostrate, possono comunque essere previste varianti, in cui ad esempio sono assenti il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 23, 24, il terzo ed il quarto gruppo sospeso G3, G4 e la seconda struttura a molla M2, nel qual caso l?accelerometro MEMS 1 risulta insensibile ad accelerazioni dirette parallelamente all?asse Y. Similmente, sono possibili varianti in cui sono assenti il primo ed il secondo elemento a sbalzo 21, 22, il primo ed il secondo gruppo sospeso G1, G2 e la prima struttura a molla M1, nel qual caso l?accelerometro MEMS 1 risulta insensibile ad accelerazioni dirette parallelamente all?asse X.
In pratica, la forma di realizzazione mostrata in figura 2 consente di beneficiare di una elevata resilienza rispetto a stress meccanici indesiderati presenti sulle estremit? degli elementi a sbalzo fissate alla struttura di supporto 2, nonch? di una elevata sensibilit? anche per vibrazioni a frequenza relativamente elevata (ad esempio, 10-20 kHz).
Secondo una differente forma di realizzazione, mostrata in figura 7, in cui l?accelerometro MEMS ? indicato con 101, la forma e la disposizione delle masse mobili e delle strutture a molla sono diverse rispetto a quanto descritto in precedenza, come spiegato in dettaglio qui di seguito, in cui parti gi? citate in precedenza vengono indicate con i medesimi numeri di riferimento, aumentati di cento, salvo laddove specificato diversamente.
In dettaglio, la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 131, 132, 133, 134 hanno approssimativamente la forma di parallelepipedi, sono disposte ad una medesima distanza radiale dall?asse HX e sono angolarmente equispaziate, in modo da essere disposte nei vertici di un ipotetico quadrato.
In particolare, la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 131, 132, 133, 134 hanno approssimativamente la forma di parallelepipedi con pareti laterali parallele alternativamente al piano XZ o YZ, in condizioni di riposo. Inoltre, la prima e la terza massa mobile 131, 133 sono allineate parallelamente all?asse X; similmente, la seconda e la quarta massa mobile 132, 134 sono allineate parallelamente all?asse X. Inoltre, la prima e la quarta massa mobile 131, 134 sono allineate parallelamente all?asse Y; similmente, la seconda e la terza massa mobile 132, 133 sono allineate parallelamente all?asse Y.
In condizioni di riposo, le porzioni deformabili 121*, 122* del primo e del secondo elemento a sbalzo 121, 122 hanno assi baricentrici che giacciono rispettivamente lungo una direzione H1? ed una direzione H2?, le quali sono parallele al piano XY, sono parallele tra loro ed in prima approssimazione coincidenti; inoltre, le direzioni H1?, H2? sono inclinate di -45? rispetto all?asse X. In prima approssimazione, le direzioni H1?, H2? coincidono anche con gli assi baricentrici dei due gruppi formati rispettivamente i) dalla porzione deformabile 121* del primo elemento a sbalzo 121 e dalla prima struttura piezoelettrica di rilevamento 151, e ii) dalla porzione deformabile 122* del secondo elemento a sbalzo 122 e dalla seconda struttura piezoelettrica di rilevamento 152, tali assi baricentrici coincidendo inoltre a loro volta, ed in prima approssimazione, con gli assi neutri dei corrispondenti gruppi.
Le porzioni deformabili 123*, 124* del terzo e del quarto elemento a sbalzo 123, 124 hanno assi baricentrici che giacciono rispettivamente lungo una direzione H3? ed una direzione H4?, le quali sono parallele al piano XY, sono parallele tra loro ed in prima approssimazione coincidenti; inoltre, le direzioni H3?, H4? sono inclinate di 45? rispetto all?asse X. Le direzioni H3?, H4? coincidono, in prima approssimazione, anche con gli assi baricentrici dei due gruppi formati rispettivamente i) dalla porzione deformabile 123* del terzo elemento a sbalzo 123 e dalla terza struttura piezoelettrica di rilevamento 153, e ii) dalla porzione deformabile 124* del quarto elemento a sbalzo 124 e dalla quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 154, tali assi baricentrici coincidendo inoltre a loro volta, ed in prima approssimazione, con gli assi neutri dei corrispondenti gruppi.
Le porzioni deformabili 121*, 122*, 123*, 124* del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 121, 122, 123, 124 sono interposte, in vista dall?alto, tra la struttura di supporto 102 e, rispettivamente, le corrispondenti porzioni distali 121**, 122**, 123**, 124**, le quali formano rispettivamente la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 131, 132, 133, 134. Inoltre, le porzioni deformabili 121*, 122*, 123*, 124* del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 121, 122, 123, 124 sono rispettivamente sovrastate dalla prima, dalla seconda, dalla terza e dalla quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 151, 152, 153, 154.
Il primo, il secondo, il terzo ed il quarto elemento a molla 141, 142, 143, 144 hanno, ciascuno, una forma allungata e ripiegata (?folded?), sono formati ad esempio da silicio e possono avere, in condizioni di riposo, il medesimo spessore (lungo Z) del primo, del secondo, del terzo e del quarto elemento a sbalzo 121, 122, 123, 124, con i quali sono complanari.
In maggior dettaglio, nel seguito si indicano con F13 e F31 le superfici laterali parallele ed affacciate al secondo piano di simmetria SP2 della prima e, rispettivamente, della terza massa sospesa 131, 133; similmente, si indicano con F24 e F42 le superfici laterali parallele ed affacciate al secondo piano di simmetria SP2 della seconda e, rispettivamente, della quarta massa sospesa 132, 134. In aggiunta, si indicano con F14 e F41 le superfici laterali parallele e affacciate al primo piano di simmetria SP1 della prima e, rispettivamente, della quarta massa sospesa 131, 134; similmente, si indicano con F23 e F32 le pareti laterali parallele ed affacciate al primo piano di simmetria SP1 della seconda e, rispettivamente, della terza massa sospesa 132, 133.
Tutto ci? premesso, il primo elemento a molla 141 ha estremit? fissate rispettivamente alle superfici laterali F13 e F31 della prima e della terza massa sospesa 131, 133, in modo da accoppiare elasticamente queste ultime; inoltre, il primo elemento a molla 141 ? cedevole parallelamente all?asse X.
Il secondo elemento a molla 142 ha estremit? fissate rispettivamente alle superfici laterali F24 e F42 della seconda e della quarta massa sospesa 132, 134, in modo da accoppiare elasticamente queste ultime; inoltre, il secondo elemento a molla 142 ? cedevole parallelamente all?asse X.
Il terzo elemento a molla 143 ha estremit? fissate rispettivamente alle superfici laterali F23 e F32 della seconda e della terza massa sospesa 132, 133, in modo da accoppiare elasticamente queste ultime; inoltre, il terzo elemento a molla 143 ? cedevole parallelamente all?asse Y.
Il quarto elemento a molla 144 ha estremit? fissate rispettivamente alle superfici laterali F14 e F41 della prima e della quarta massa sospesa 131, 134, in modo da accoppiare elasticamente queste ultime; inoltre, il quarto elemento a molla 144 ? cedevole parallelamente all?asse Y.
Riferendosi per brevit? agli elementi a molla in contatto con la terza massa mobile 133, e quindi riferendosi al primo e al terzo elemento a molla 141, 143 (ma uguali considerazioni si applicano anche alle coppie di elementi a molla in contatto con ciascuna tra la prima, la seconda e la quarta massa mobile 141, 142, 144), senza alcuna perdita di generalit? si verifica quanto segue. Indicando con VX lo spigolo laterale della terza massa mobile 133 parallelo all?asse Z e rivolto verso l?asse HX, il primo ed il terzo elemento a molla 141, 143 contattano rispettivamente le superfici laterali F31 e F32 in prossimit? dello spigolo VX, pur restando distanziate tra loro. Sebbene non mostrate, sono possibili forme di realizzazione in cui il primo ed il terzo elemento a molla 141, 143 sono in contatto tra loro.
In pratica, il primo ed il terzo elemento a molla 141, 143 formano, insieme alla terza massa mobile 133, un primo ramo della prima struttura a molla, qui indicata con M1?, la quale accoppia elasticamente la prima e la seconda massa mobile 131, 132. Inoltre, il secondo ed il quarto elemento a molla 142, 144 formano, insieme alla quarta massa mobile 134, un secondo ramo della prima struttura a molla M1?, il quale accoppia anch?esso elasticamente la prima e la seconda massa mobile 131, 132 ed ? disposto, in prima approssimazione, in parallelo al summenzionato primo ramo.
Similmente, il primo ed il quarto elemento a molla 141, 144 formano, insieme alla prima massa mobile 131, un primo ramo della seconda struttura a molla, qui indicata con M2?, la quale accoppia elasticamente la terza e la quarta massa mobile 133, 134. Inoltre, il secondo ed il terzo elemento a molla 142, 143 formano, insieme alla seconda massa mobile 132, un secondo ramo della seconda struttura a molla M2?, il quale accoppia anch?esso elasticamente la terza e la quarta massa mobile 133, 134 ed ? disposto, in prima approssimazione, in parallelo al corrispondente primo ramo.
Il funzionamento dell?accelerometro MEMS 101 ? tale per cui, nel caso in cui esso sia soggetto ad una accelerazione diretta parallelamente all?asse Z, la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 131, 132, 133, 134 tendono tutte insieme ad innalzarsi o abbassarsi, a seconda del verso dell?accelerazione, come mostrato qualitativamente in figura 8A, in cui, oltre a riferirsi ad esempio al caso in cui le masse mobili tendono ad alzarsi, si ? adottata la simbologia classica per indicare la punta e la coda di vettori che indicano qualitativamente le direzioni in cui si spostano, rispetto alla posizioni di riposo, la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 131, 132, 133, 134; tale simbologia viene mantenuta anche nelle successive figure 8B e 8C.
Nel caso in cui l?accelerometro MEMS 1 sia invece soggetto ad una accelerazione diretta lungo l?asse X, ma con verso opposto, si verifica quanto mostrato in figura 8B, in cui la freccia gx indica l?accelerazione inerziale a cui sono soggette la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 131, 132, 133, 134. In dettaglio, la prima e la quarta massa mobile 131, 134 tendono ad innalzarsi, causando una compressione della prima e della quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 151, 154, le quali generano rispettivamente le tensioni V1 e V4 con una medesima prima polarit?; al contrario, la seconda e la terza massa mobile 132, 133 tendono ad abbassarsi, causando una trazione della seconda e della terza struttura piezoelettrica di rilevamento 153, 154, le quali generano rispettivamente le tensioni V2 e V3 con una medesima seconda polarit?, opposta alla prima polarit?.
Il summenzionato comportamento ? spiegabile ricordando quanto descritto circa l?accelerometro MEMS 1 di cui alle figure 1-4 ed osservando che l?accelerazione inerziale gx pu? essere scomposta in corrispondenti componenti lungo la direzione H1? (equivalentemente, H2?) e la direzione H3? (equivalentemente, H4?), nonch? notando che la prima e la seconda massa mobile 131, 132 e la prima struttura a molla M1? si comportano, con riferimento alle componenti delle accelerazioni inerziali lungo le direzioni H1? e H3?, nel medesimo modo in cui si comportano la prima e la seconda massa mobile 21, 22 e la prima struttura a molla M1 dell?accelerometro MEMS 1 mostrato nelle figure 1-4 in presenza di accelerazioni inerziali dirette parallelamente agli assi X e Y. Inoltre, la terza e la quarta massa mobile 133, 134 e la seconda struttura a molla M2? si comportano, con riferimento alle componenti di accelerazioni inerziali lungo le direzioni H1? e H3?, nel medesimo modo in cui si comportano la terza e la quarta massa mobile 23, 24 e la seconda struttura a molla M2 dell?accelerometro MEMS 1 mostrato nelle figure 1-4 in presenza di accelerazioni inerziali dirette parallelamente agli assi X e Y.
Nel caso in cui l?accelerometro MEMS 1 sia soggetto ad una accelerazione diretta lungo l?asse Y, si verifica quanto mostrato in figura 8C, in cui la freccia gy indica l?accelerazione inerziale a cui sono soggette la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile 131, 132, 133, 134. In dettaglio, la prima e la terza massa mobile 131, 133 tendono ad abbassarsi, causando una trazione della prima e della terza struttura piezoelettrica di rilevamento 151, 153, le quali generano rispettivamente le tensioni V1 e V3 con la seconda polarit?; al contrario, la seconda e la quarta massa mobile 132, 134 tendono ad innalzarsi, causando una compressione della seconda e della quarta struttura piezoelettrica di rilevamento 152, 154, le quali generano rispettivamente le tensioni V2 e V4 con la prima polarit?.
Mediante una circuiteria elettronica di tipo per s? noto e qui non mostrata, ? quindi possibile generare un segnale sVZ2, ad esempio pari a V1+V2+V3+V4, il quale ? indicativo dell?accelerazione lungo Z. Inoltre, ? possibile generare un segnale sVX?=(V1+V4)-(V2+V3) ed un segnale sVY?=(V2+V4)-(V1+V3), i quali sono indicativi rispettivamente delle accelerazioni lungo X e lungo Y.
La forma di realizzazione mostrata nelle figure 7 e 8A-8C consente di ottenere i medesimi vantaggi descritti con riferimento alla forma di realizzazione mostrata nelle figure 1-4. Inoltre, anche in questo caso sono possibili varianti in cui sono assenti, ad esempio, la terza e la quarta massa mobile 133, 134 ed il terzo ed il quarto elemento a sbalzo 123, 124, oppure varianti in cui sono assenti, ad esempio, la prima e la seconda massa mobile 131, 132 ed il primo ed il secondo elemento a sbalzo 121, 122.
In generale, i vantaggi che il presente accelerometro consente di ottenere emergono chiaramente dalla descrizione precedente. In particolare, il presente accelerometro consente ad esempio di rilevare con un?elevata sensibilit? vibrazioni lungo direzioni di stimolo ortogonali tra loro, tali vibrazioni potendo avere frequenze relativamente elevate, ed al contempo consente di beneficiare di una elevata immunit? agli effetti spuri statici indotti da tensioni spurie.
Infine, ? chiaro che si possono apportare modifiche e varianti a quanto descritto e illustrato in questo contesto, senza discostarsi dall?ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, le forme, e quindi anche le relative sezioni, degli elementi a sbalzo e delle masse mobili possono differire rispetto a quanto descritto, come anche le forme delle strutture piezoelettriche di rilevamento e le disposizioni di queste ultime rispetto agli elementi a sbalzo. Ad esempio, in linea di principio, le strutture piezoelettriche di rilevamento possono essere disposte al di sotto delle porzioni deformabili degli elementi a sbalzo.

Claims (16)

RIVENDICAZIONI
1. Accelerometro MEMS comprendente una struttura di supporto (2;102) ed almeno un primo ed un secondo gruppo deformabile (21*,51,22*,52;121*,151,122*,152), i quali includono rispettivamente un primo ed un secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,22*;121*,122*), i quali sono disposti parallelamente ad un piano (XY) ed hanno, ciascuno, una rispettiva prima estremit?, la quale ? fissata alla struttura di supporto (2;102), ed una rispettiva seconda estremit?; detto primo gruppo deformabile (21*,51;121*,151) comprendendo inoltre:
- una prima struttura piezoelettrica di rilevamento (51;151), la quale ? meccanicamente accoppiata al primo elemento deformabile a sbalzo (21*;121*);
detto secondo gruppo deformabile (22*,52;122*,152) comprendendo inoltre:
- una seconda struttura piezoelettrica di rilevamento (52;152), la quale ? meccanicamente accoppiata al secondo elemento deformabile a sbalzo (22*;122*);
detto accelerometro MEMS (1;101) comprendendo inoltre: - una prima ed una seconda massa mobile (31;131;32,132), le quali sono fissate rispettivamente alla seconda estremit? del primo elemento deformabile a sbalzo (21*;121*) ed alla seconda estremit? del secondo elemento deformabile a sbalzo (22*;122*) e sono sfalsate rispetto, rispettivamente, al primo ed al secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,121*;22*,122*), lungo una direzione verticale (Z) trasversale rispetto a detto piano (XY); e
- una prima struttura elastica (M1, M1?) configurata per accoppiare elasticamente la prima e la seconda massa mobile (31;131;32,132).
2. Accelerometro secondo la rivendicazione 1, in cui il primo ed il secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,22*;121*,122*) si estendono lungo una prima direzione di rilevazione (H1,H2;H1?,H2?) e sono l?uno opposto all?altro, in maniera tale per cui, in presenza di accelerazioni dirette parallelamente a detta prima direzione di rilevazione (H1,H2;H1?,H2?), il primo ed il secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,22*;121*,122*) sono soggetti a primi momenti flettenti paralleli e concordi.
3. Accelerometro secondo la rivendicazione 2, in cui il primo ed il secondo gruppo deformabile (21*,51,22*,52;121*,151,122*,152) hanno rispettivamente un primo ed un secondo asse neutro (H1,H2; H1?,H2?), i quali si estendono lungo detta prima direzione di rilevazione (H1,H2; H1?,H2?).
4. Accelerometro secondo la rivendicazione 3, in cui la prima e la seconda struttura piezoelettrica di rilevamento (51,52;151,152) sono rispettivamente sfalsate, lungo la direzione verticale (Z), rispetto al primo asse neutro (H1,H1?) ed al secondo asse neutro (H2,H2?), in maniera tale per cui, in presenza di detti primi momenti flettenti paralleli e concordi, una tra la prima e la seconda struttura piezoelettrica di rilevamento (51,52;151,152) ? soggetta a trazione, mentre l?altra ? soggetta a compressione.
5. Accelerometro secondo la rivendicazione 4, in cui la prima e la seconda struttura piezoelettrica di rilevamento (51,52;151,152) hanno forme planari, disposte in modo simmetrico rispetto, rispettivamente, al primo asse neutro (H1,H1?) ed al secondo asse neutro (H2,H2?).
6. Accelerometro secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui la prima e la seconda struttura piezoelettrica di rilevamento (51,52;151,152) sono disposte rispettivamente sul primo e sul secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,22*;121*,122*); ed in cui la prima e la seconda massa mobile (31;131;32,132) sono verticalmente sfalsate verso il basso, rispetto al primo ed al secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,121*;22*,122*).
7. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui la prima struttura elastica (M1, M1?) ? cedevole parallelamente alla prima direzione di rilevazione (H1,H2;H1?,H2?).
8. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, comprendente inoltre un terzo ed un quarto gruppo deformabile (23*,53,24*,54; 123*,153,124*,154), i quali includono rispettivamente un terzo ed quarto elemento deformabile a sbalzo (23*,24*;123*,124*), i quali sono disposti parallelamente ad a detto piano (XY), si estendono lungo una seconda direzione di rilevazione (H3,H4;H3?,H4?), sono l?uno opposto all?altro ed hanno, ciascuno, una rispettiva prima estremit?, la quale ? fissata alla struttura di supporto (2;102), ed una rispettiva seconda estremit?; detto terzo gruppo deformabile (23*,53;123*,153) comprendendo inoltre:
- una terza struttura piezoelettrica di rilevamento (53;153), la quale ? meccanicamente accoppiata al terzo elemento deformabile a sbalzo (23*;123*);
detto quarto gruppo deformabile (24*,54;124*,154) comprendendo inoltre:
- una quarta struttura piezoelettrica di rilevamento (54;154), la quale ? meccanicamente accoppiata al quarto elemento deformabile a sbalzo (24*;124*);
detto accelerometro MEMS (1;101) comprendendo inoltre: - una terza ed una quarta massa mobile (33;133;34,134), le quali sono fissate rispettivamente alla seconda estremit? del terzo elemento deformabile a sbalzo (23*;123*) ed alla seconda estremit? del quarto elemento deformabile a sbalzo (24*;124*) e sono rispettivamente sfalsate, lungo la direzione verticale (Z), rispetto al terzo ed al quarto elemento deformabile a sbalzo (23*,123*;24*,124*), in maniera tale per cui, in presenza di accelerazioni dirette parallelamente a detta seconda direzione di rilevazione (H3,H4;H3?,H4?), il terzo ed il quarto elemento deformabile a sbalzo (23*,123*;24*,124*) sono soggetti a secondi momenti flettenti paralleli e concordi;
detto accelerometro (7;107) comprendendo inoltre una seconda struttura elastica (M2, M2?) configurata per accoppiare elasticamente la terza e la quarta massa mobile (33,133;34,134).
9. Accelerometro secondo la rivendicazione 8, in cui il terzo ed il quarto gruppo deformabile (23*,53,24*,54;123*,153,124*,154) hanno rispettivamente un terzo ed un quarto asse neutro (H3,H4; H3?,H4?), i quali si estendono lungo la seconda direzione di rilevazione (H3,H4; H3?,H4?).
10. Accelerometro secondo la rivendicazione 9, in cui la terza e la quarta struttura piezoelettrica di rilevamento (53,54;153,154) sono rispettivamente sfalsate, lungo la direzione verticale (Z), rispetto al terzo asse neutro (H3,H3?) ed al quarto asse neutro (H4,H4?), in maniera tale per cui, in presenza di detti secondi momenti flettenti paralleli e concordi, una tra la terza e la quarta struttura piezoelettrica di rilevamento (53,54;153,1524) ? soggetta a trazione, mentre l?altra ? soggetta a compressione.
11. Accelerometro secondo la rivendicazione 10, in cui la terza e la quarta struttura piezoelettrica di rilevamento (53,54;153,154) hanno forme planari, disposte in modo simmetrico rispetto, rispettivamente, al terzo asse neutro (H3,H3?) ed al quarto asse neutro (H4,H4?).
12. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 11, in cui la seconda struttura elastica (M2, M2?) ? cedevole parallelamente alla seconda direzione di rilevazione (H3,H4;H3?,H4?).
13. Accelerometro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 12, in cui la prima direzione di rilevazione (H1,H2; H1?,H2?) e la seconda direzione di rilevazione (H3,H4; H3?,H4?) sono perpendicolari tra loro e alla direzione verticale (Z).
14. Accelerometro secondo la rivendicazione 13, in cui la prima e la seconda massa mobile (31,32;131,132) hanno baricentri rispettivamente sfalsati, lungo la prima direzione di rilevazione (H1,H2; H1?,H2?), rispetto alle seconde estremit? del primo e del secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,121*;22*,121*), in maniera tale per cui, in presenza di accelerazioni dirette parallelamente alla direzione verticale (Z), il primo ed il secondo elemento deformabile a sbalzo (21*,121*;22*,121*) sono soggetti a terzi momenti flettenti paralleli e opposti; ed in cui la terza e la quarta massa mobile (33,34;133,134) hanno baricentri rispettivamente sfalsati, lungo la seconda direzione di rilevazione (H3,H4; H3?,H4?), rispetto alle seconde estremit? del terzo e del quarto elemento deformabile a sbalzo (23*,123*;24*,124*), in maniera tale per cui, in presenza di accelerazioni dirette parallelamente alla direzione verticale (Z), il terzo ed il quarto elemento deformabile a sbalzo (23*,123*;24*,124*) sono soggetti a quarti momenti flettenti paralleli e opposti.
15. Accelerometro secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui la prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile (131,132,133,134) sono disposte a quadrato, in modo da essere a due a due parallele alternativamente ad un primo o un secondo asse di riferimento (X,Y), i quali sono ortogonali tra loro e sono perpendicolari alla direzione verticale (Z); ed in cui dette prima e seconda direzione di rilevazione (H1?,H2?;H3?,H4?) sono entrambe trasversali rispetto a detto primo e secondo asse di riferimento (X,Y); detto accelerometro (107) comprendendo inoltre:
- una prima molla (141), la quale ? cedevole parallelamente al primo asse di riferimento (X) ed accoppia elasticamente la prima e la terza massa mobile (131,133);
- una seconda molla (142), la quale ? cedevole parallelamente al primo asse di riferimento (X) ed accoppia elasticamente la seconda e la quarta massa mobile (132,134);
- una terza molla (143), la quale ? cedevole parallelamente al secondo asse di riferimento (Y) ed accoppia elasticamente la seconda e la terza massa mobile (132,133); e
- una quarta molla (144), la quale ? cedevole parallelamente al secondo asse di riferimento (Y) ed accoppia elasticamente la prima e la quarta massa mobile (131,134);
ed in cui la prima struttura elastica (M1?) comprende un rispettivo primo ramo, il quale include la prima e la terza molla (141,143) e la terza massa mobile (133), ed un rispettivo secondo ramo, il quale include la seconda e la quarta molla (142,144) e la quarta massa mobile (134); ed in cui la seconda struttura elastica (M2?) comprende un rispettivo primo ramo, il quale include la prima e la quarta molla (141,144) e la prima massa mobile (131), ed un rispettivo secondo ramo, il quale include la seconda e la terza molla (142,143) e la seconda massa mobile (133).
16. Accelerometro secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui al prima, la seconda, la terza e la quarta massa mobile (31,32,33,34) hanno una disposizione a rombo; ed in cui la prima e la seconda struttura a molla (M1,M2) comprendono rispettivamente un primo braccio (41,42) ed un secondo braccio (43,44) aventi, ciascuno, una forma allungata ripiegata e disposti a croce.
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