IT202200000524A1 - Giroscopio microelettromeccanico con movimento di rilevamento fuori dal piano avente migliorate caratteristiche elettriche - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?GIROSCOPIO MICROELETTROMECCANICO CON MOVIMENTO DI RILEVAMENTO FUORI DAL PIANO AVENTE MIGLIORATE CARATTERISTICHE ELETTRICHE?

La presente invenzione ? relativa ad un giroscopio microelettromeccanico (di tipo MEMS, Micro-Electro-Mechanical Sensor), con movimento di rilevamento fuori dal piano avente migliorate caratteristiche elettriche, in particolare avente una migliorata stabilit? rispetto a sollecitazioni (stress) o stimoli esterni, che costituiscono un disturbo rispetto ad una grandezza (velocit? angolare) da rilevare.

Sono noti giroscopi MEMS la cui struttura di rilevamento comprende almeno una massa mobile, cosiddetta ?massa di rotore?, disposta sospesa al di sopra di un substrato ed avente un piano di estensione principale parallelo, in condizione di riposo, ad un piano orizzontale e ad una superficie superiore dello stesso substrato.

Quando alla massa mobile del giroscopio MEMS, che ? mantenuta in azionamento con una velocit? lineare, viene applicata una rotazione ad una certa velocit? angolare (il cui valore deve essere rilevato), la massa mobile avverte una forza apparente, chiamata forza di Coriolis, che ne determina uno spostamento in direzione perpendicolare alla direzione della velocit? lineare di azionamento ed all?asse intorno al quale si verifica la rotazione. La massa mobile ? supportata tramite elementi elastici che ne consentono uno spostamento nella direzione della forza apparente. In base alla legge di Hooke, lo spostamento ? proporzionale a tale forza apparente, essendo dunque indicativo della forza di Coriolis e del valore della velocit? angolare.

In particolare, nel caso in questione di giroscopio con movimento fuori dal piano, l?azionamento lineare ? implementato lungo un primo asse del piano orizzontale e la velocit? angolare ? rilevata intorno ad un secondo asse del piano orizzontale, ortogonale al suddetto primo asse, cos? che lo spostamento della massa mobile per effetto di Coriolis avviene lungo una direzione ortogonale allo stesso piano orizzontale, lungo un asse verticale z.

Lo spostamento della massa mobile pu? ad esempio essere rilevato in modo capacitivo, determinando, in condizione di risonanza, le variazioni di capacit? causate dal movimento della massa mobile rispetto ad elettrodi di rilevamento fissi, cosiddetti ?elementi di statore?, formanti con la stessa massa mobile almeno un condensatore di rilevamento.

La massa mobile ? accoppiata ad un relativo ancoraggio di rotore (solidale al substrato) mediante elementi elastici, che ne consentono i movimenti di azionamento e rilevamento della velocit? angolare.

Gli elementi di statore sono a loro volta accoppiati solidalmente al substrato mediante rispettivi ancoraggi di statore, in modo da essere accoppiati capacitivamente al rotore per formare il condensatore di rilevamento, la cui variazione capacitiva ? indicativa della velocit? angolare rilevata.

In particolare, nella struttura di rilevamento, gli ancoraggi di rotore e di statore hanno una duplice funzione, di ancoraggio meccanico nei confronti del substrato ed inoltre di accoppiamento elettrico per la polarizzazione dei corrispondenti elementi di statore e della massa mobile e per il rilevamento del segnale di variazione capacitiva.

In modo noto, la struttura di rilevamento del giroscopio MEMS ? alloggiata all?interno di un package, tipicamente insieme ad una relativa circuiteria elettronica ASIC (Application Specific Integrated Circuit), che ne costituisce l?interfaccia meccanica ed elettrica verso l?esterno, ad esempio verso un apparecchio elettronico in cui lo stesso giroscopio MEMS ? impiegato.

Un problema che affligge i giroscopi MEMS (ed in generale i sensori MEMS aventi strutture di rilevamento di tipo capacitivo) ? legato al possibile verificarsi di errori di misura qualora si verifichino stress e deformazioni, in particolare indotte nella relativa struttura di rilevamento per effetto dell?interazione con il package, ad esempio al variare della temperatura e/o delle condizioni ambientali o a causa di sollecitazioni meccaniche.

Ad esempio, il package di un sensore MEMS ? soggetto a deformazioni al variare della temperatura, dovute ai diversi coefficienti di dilatazione termica e ai diversi valori del modulo di Young dei differenti materiali di cui ? composto, potendo causare corrispondenti deformazioni del substrato della struttura di rilevamento 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 umidit? da parte dei materiali che costituiscono lo stesso package.

Come mostrato schematicamente in Figura 1, in presenza di deformazioni del substrato, indicato con 2, ad esempio dovute ad uno stress termico associato ad un gradiente di temperatura, pu? ad esempio verificarsi una deformazione (o curvatura) della superficie superiore, indicata con 2a dello stesso substrato 2 (la Figura 1 mostrando in maniera accentuata tale deformazione, per motivi di chiarezza di illustrazione), che pu? comportare un variazione della distanza reciproca degli ancoraggi di statore 3a, 3b (a cui sono accoppiati solidalmente gli elementi di statore) da un ancoraggio di rotore 4 (a cui ? accoppiata elasticamente la massa mobile della struttura di rilevamento), rispetto ad una condizione iniziale di riposo, ovvero in assenza di velocit? angolare da rilevare.

Di conseguenza, si verifica una variazione indesiderata della capacit? del condensatore di rilevamento formato tra la stessa massa mobile e gli elettrodi di statore, in condizione di riposo, con una conseguente variazione del cosiddetto livello di zero (ZRL - Zero Rate Level) del giroscopio MEMS. Tale variazione risulta inoltre variabile in funzione della temperatura, o in generale di tutti quegli effetti esterni in grado di indurre deformazioni dello stesso substrato 2.

In sostanza, si verifica dunque una variazione (cosiddetto ?drift?) del segnale di uscita a riposo fornito dal giroscopio MEMS, il suddetto livello ZRL, ed un conseguente errore nel rilevamento di velocit? angolare. In generale, i fenomeni descritti determinano una instabilit? dell?uscita di rilevamento fornita dal giroscopio MEMS durante la vita dello stesso giroscopio MEMS.

Per ovviare a tale inconveniente sono state proposte svariate soluzioni, alcune che prevedono l?ottimizzazione meccanica della struttura di rilevamento, altre che prevedono una compensazione di natura elettronica; le soluzioni note non risultano tuttavia del tutto soddisfacenti, in quanto in generale risultano di complessa realizzazione e/o richiedono consumi di energia elevati.

La presente soluzione si prefigge lo scopo di risolvere i problemi precedentemente evidenziati, al fine di fornire un giroscopio MEMS che presenti migliorata stabilit? e ridotte derive delle sue caratteristiche elettriche rispetto a stimoli esterni, quali variazioni termiche, o stress meccanici o ambientali o altri stimoli esterni di varia natura.

Secondo la presente soluzione viene pertanto fornito un giroscopio microelettromeccanico, come definito nelle rivendicazioni allegate.

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 1 ? una rappresentazione schematica relativa ad una porzione di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in presenza di una deformazione di un relativo substrato;

- la Figura 2A ? una vista in pianta schematica di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in accordo con una prima forma di realizzazione della presente soluzione;

- la Figura 2B ? una vista prospettica dall?alto della struttura di rilevamento di Figura 2A;

- la Figura 3 ? una vista schematica in sezione di una struttura di ancoraggio del giroscopio MEMS di Figura 2A e 2B;

- la Figura 4 ? una vista schematica in sezione della struttura di ancoraggio di Figura 3, in presenza di una deformazione di un relativo substrato;

- la Figura 5 ? una vista in pianta schematica di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente soluzione;

- la Figura 6 ? una vista in pianta schematica di una porzione di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in accordo con una ulteriore forma di realizzazione della presente soluzione; e

- la Figura 7 ? un diagramma a blocchi di massima di un apparecchio elettronico incorporante un dispositivo sensore MEMS secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione.

Come sar? descritto in dettaglio nel seguito, un aspetto della presente soluzione prevede di realizzare la struttura di rilevamento del giroscopio MEMS in modo tale che la massa mobile (rotore) e gli elettrodi fissi (elementi di statore), capacitivamente accoppiati alla massa mobile per definire almeno un condensatore di rilevamento, siano accoppiati meccanicamente al substrato mediante una singola ed unica (o monolitica) struttura di ancoraggio meccanico in comune (accoppiata solidalmente al substrato stesso); in questo modo, eventuali deformazioni indotte dal package nel substrato si riflettono in maniera equivalente sulla massa mobile e sugli elementi di statore, rendendo il rilevamento di fatto insensibile alle deformazioni, cos? da evitare eventuali modifiche del segnale di uscita a riposo fornito dallo stesso giroscopio MEMS (il cosiddetto drift del livello ZRL).

Viene conseguentemente operata una distinzione tra ancoraggi meccanici ed ancoraggi elettrici di almeno alcuni degli elementi strutturali definenti la struttura di rilevamento, in particolare degli elementi di statore, introducendo appositi ancoraggi elettrici, distinti dagli ancoraggi meccanici, per la polarizzazione degli stessi elementi di statore e per il rilevamento del segnale di variazione capacitiva; come sar? descritto in seguito, tali ancoraggi elettrici sono accoppiati elettricamente alla singola struttura di ancoraggio meccanico, in modo da definire un percorso elettrico di polarizzazione e rilevamento del segnale di variazione capacitiva, rappresentando al contempo un accoppiamento meccanico del tutto trascurabile.

Secondo un aspetto della presente soluzione, la struttura di rilevamento comprende due strati strutturali sovrapposti di materiale semiconduttore (in particolare di silicio epitassiale), tra loro indipendenti e che vengono lavorati opportunamente (in particolare, mediante attacchi a trincea e rimozione di strati sacrificali) per definire gli elementi strutturali della struttura di rilevamento, tra loro almeno in parte sovrapposti.

Come sar? del resto descritto in dettaglio in seguito, in uno strato strutturale superiore viene definita almeno parte della massa mobile della struttura di rilevamento ed in uno strato strutturale inferiore, disposto al di sotto dello strato strutturale superiore (o interposto tra il substrato e lo stesso strato strutturale superiore), vengono definiti gli elementi di statore ed il raccordo degli stessi elementi di statore verso la singola struttura di ancoraggio, in particolare per l?accoppiamento meccanico solidale degli elementi di statore alla stessa singola struttura di ancoraggio.

La realizzazione della struttura di rilevamento tramite i suddetti strati strutturali sovrapposti pu? essere ad esempio eseguita mediante il procedimento di fabbricazione descritto in dettaglio nella domanda di brevetto EP 3 912 953 A1 a nome della stessa Richiedente.

In sintesi, tale procedimento prevede la crescita, al di sopra di un substrato, ad esempio di silicio monocristallino, di un primo strato epitassiale, spesso, sovrapposto ad un primo strato sacrificale, di materiale dielettrico, che viene in seguito in parte rimosso mediante attacco chimico (ad esempio mediante vapori di acido fluoridrico). Il primo strato sacrificale presenta aperture in corrispondenza delle quali sono definite regioni di ancoraggio al substrato per il suddetto primo strato epitassiale.

Il primo strato epitassiale costituisce un primo strato strutturale in cui vengono formate, ad esempio con attacco chimico secco (dry) del silicio, prime trincee (vuote, o successivamente riempite di materiale dielettrico), che definiscono elementi strutturali della struttura di rilevamento o una parte inferiore (ovvero, pi? vicina al substrato) degli stessi elementi strutturali; regioni conduttive (definenti piazzole ed interconnessioni elettriche) sono formate al di sotto del primo strato sacrificale, in corrispondenza delle regioni di ancoraggio al substrato del suddetto primo strato epitassiale, al fine di consentire la polarizzazione elettrica dei suddetti elementi strutturali.

Successivamente, il procedimento di fabbricazione prevede la formazione di un secondo strato sacrificale, di materiale dielettrico, al di sopra del primo strato epitassiale e la definizione dello stesso secondo strato sacrificale per la formazione di regioni sacrificali separate reciprocamente da aperture.

Viene quindi formato un secondo strato epitassiale, avente ad esempio uno spessore inferiore rispetto al primo strato epitassiale, sul primo strato epitassiale e sulle regioni sacrificali; il secondo strato epitassiale ? in contatto diretto con il primo strato epitassiale in corrispondenza delle suddette aperture e costituisce un secondo strato strutturale in cui vengono in parte definiti, mediante la formazione di seconde trincee, gli elementi strutturali della struttura di rilevamento o una parte superiore (ovvero, pi? distante dal substrato) degli stessi elementi strutturali.

Il procedimento prevede quindi la rimozione, parziale o completa delle regioni sacrificali, nuovamente mediante attacco chimico (ad esempio mediante vapori di acido fluoridrico), in modo da rilasciare, almeno in parte, gli elementi strutturali della struttura di rilevamento.

Si noti che, in seguito all?attacco, regioni del secondo strato epitassiale possono: essere direttamente a contatto (meccanico ed elettrico) con sottostanti regioni del primo strato epitassiale ed eventualmente a contatto del sottostante substrato; essere separate da una regione vuota (gap) dal sottostante primo strato epitassiale in modo da essere sospese al di sopra dello stesso primo strato epitassiale; oppure essere accoppiate allo (ed elettricamente isolate dallo) stesso primo strato epitassiale mediante regioni dielettriche rimanenti dall?attacco del secondo strato sacrificale.

Con riferimento alla vista in pianta di Figura 2A, alla vista prospettica di Figura 2B ed alla vista in sezione di dettaglio di Figura 3, viene ora descritta una prima forma di realizzazione della presente soluzione, relativa ad un giroscopio microelettromeccanico (MEMS) 10 di tipo uniassiale, per il rilevamento di una velocit? angolare ?x intorno ad un primo asse x di un piano orizzontale xy.

La struttura di rilevamento, indicata in generale con 11, del giroscopio MEMS 10 ha un centro O ed una disposizione simmetrica nel piano orizzontale xy, rispetto al primo e ad un secondo asse orizzontale x, y.

La struttura di rilevamento 11 comprende una massa mobile (o di rotore) 12, disposta sospesa al di sopra di un substrato 14 di materiale semiconduttore, in particolare silicio, avente una superficie superiore 14a; a riposo, la massa mobile 12 presenta estensione principale in un piano orizzontale xy ed ? disposta parallela alla superficie superiore 14a del substrato 14.

La massa mobile 12 ha una cornice 15, nell?esempio sostanzialmente rettangolare nel piano orizzontale xy, che definisce internamente una finestra 16; la stessa massa mobile 12 comprende inoltre una prima ed una seconda porzione di rilevamento 12a, 12b, che si estendono internamente alla finestra 16 a partire dalla cornice 15, sospese a sbalzo rispetto al substrato 14, aventi nell?esempio una forma sostanzialmente trapezoidale, con lati obliqui estendentisi radialmente verso il centro O.

La massa mobile 12 ? accoppiata elasticamente ad una singola struttura di ancoraggio 20 (che verr? descritta in maggiore dettaglio in seguito), disposta centralmente alla finestra 16 e solidale al substrato 14, mediante elementi elastici di ancoraggio 18, aventi estensione lineare lungo il secondo asse orizzontale y e cedevoli a flessione nel piano orizzontale xy e a torsione intorno allo stesso secondo asse orizzontale y.

La cornice 15 della massa mobile 12 ? realizzata dalla sovrapposizione dei succitati primo e secondo strato strutturale, indicati con L1 e L2 in Figura 3, mentre la prima e la seconda porzione di rilevamento 12a, 12b sono realizzate nel solo secondo strato strutturale L2 (disposto a maggiore distanza rispetto alla superficie superiore 14a del substrato 14).

In particolare, la cornice 15 presenta, in corrispondenza dell?accoppiamento con la prima e la seconda porzione di rilevamento 12a, 12b, al di sotto delle stesse, una parete 17 sostanzialmente verticale con estensione ortogonale al piano orizzontale xy (lungo l?asse verticale z); tale parete 17 ha, nel piano orizzontale xy, una sezione conformata ad arco di cerchio (come indicato dalla linea tratteggiata in Figura 2A).

La struttura di rilevamento 11 comprende inoltre una prima ed una seconda massa di azionamento 22a, 22b, disposte da parti opposte della cornice 15 della massa mobile 12 rispetto al primo asse orizzontale x, esternamente rispetto alla stessa cornice 15.

Tali masse di azionamento 22a, 22b definiscono una cornice a cui sono accoppiati, internamente, primi elettrodi di azionamento 23, in configurazione interdigitata a secondi elettrodi di azionamento 24, fissi e solidali al substrato. Le suddette masse di azionamento 22a, 22b sono accoppiate elasticamente ad ancoraggi 25, solidali al substrato 14 mediante elementi elastici ripiegati (folded) 26, che ne consentono il movimento di azionamento, nell?esempio di traslazione lineare in versi opposti lungo il primo asse orizzontale x, in seguito alla polarizzazione dei suddetti primi e secondi elettrodi di azionamento 23, 24.

Le stesse masse di azionamento 22a, 22b sono accoppiate alla cornice 15 della massa mobile 12, da parti opposte rispetto al primo asse orizzontale x, mediante elementi elastici di accoppiamento 27a, 27b, aventi nell?esempio estensione lineare lungo il secondo asse orizzontale y e cedevoli a flessione nel piano orizzontale xy e a torsione intorno al secondo asse orizzontale y.

La struttura di rilevamento 11 comprende inoltre un primo ed un secondo elemento di statore 28a, 28b, disposti all?interno della finestra 16, da parti opposte rispetto al secondo asse orizzontale y, in configurazione sospesa al di sopra del substrato 14 ed al di sotto della massa inerziale 12, essendo formati nel primo strato strutturale L1.

In particolare, ciascun elemento di statore 28a, 28b comprende una rispettiva porzione di rilevamento 29a, 29b disposta sospesa al di sopra della superficie superiore 14a del substrato 14, affacciata al di sotto di una rispettiva porzione di rilevamento 12a, 12b della massa mobile 12, in modo da formare un rispettivo condensatore di rilevamento, a facce piane e parallele.

Ciascuna porzione di rilevamento 29a, 29b ha una forma sostanzialmente corrispondente alla sovrastante rispettiva porzione di rilevamento 12a, 12b della massa mobile 12, nell?esempio sostanzialmente trapezoidale, con base maggiore avente una conformazione ad arco di circonferenza nel piano orizzontale xy, in modo tale da corrispondere alla affacciata parete 17 della cornice 15 della massa mobile 12 (al livello del primo strato strutturale L1).

Ciascun elemento di statore 28a, 28b comprende inoltre una rispettiva porzione di raccordo 30a, 30b, interposta, nel piano orizzontale xy, tra la rispettiva porzione di rilevamento 29a, 29b e la singola struttura di ancoraggio 20 ed accoppiata solidalmente alla stessa singola struttura di ancoraggio 20. In particolare, tali porzioni di raccordo 30a, 30b sono separate nel piano orizzontale xy dalla singola struttura di ancoraggio 20 da una trincea di separazione 31.

In maggiore dettaglio, nella forma di realizzazione illustrata, come mostrato anche in Figura 3, la suddetta rispettiva porzione di raccordo 30a, 30b ? accoppiata ad una sovrastante porzione superiore 20a della singola struttura di ancoraggio 20 (realizzata nel secondo strato strutturale L2) mediante una rispettiva regione dielettrica 32, in particolare di ossido di silicio, che, oltre a definire l?accoppiamento meccanico, costituisce un isolamento elettrico tra gli elementi di statore 28a, 28b e la massa mobile 12 (rotore). Tale regione dielettrica 32 risulta quindi interposta a contatto tra superfici affacciate delle suddette porzioni di raccordo 30a, 30b degli elementi di statore 28a, 28b e della sovrastante porzione superiore 20a della singola struttura di ancoraggio 20.

La singola struttura di ancoraggio 20 comprende inoltre una porzione inferiore 20b, realizzata nel primo strato strutturale L1, accoppiata solidalmente alla porzione superiore 20a ed inoltre accoppiata meccanicamente ed elettricamente ad una piazzola di collegamento o pista conduttiva di rotore R disposta sulla superficie superiore 14a del substrato 14.

Come mostrato schematicamente nella stessa Figura 3, ciascuna porzione di raccordo 30a, 30b ? inoltre accoppiata a rispettivi ancoraggi elettrici 34, distinti e separati rispetto alla singola struttura di ancoraggio 20, attraverso rispettivi elementi elettrici di collegamento (o ?fili elettrici?) 35.

In dettaglio (si veda ad esempio la Figura 2A), tali elementi elettrici di collegamento 35 sono costituiti da porzioni sottili e lunghe, ripiegate a serpentina (folded), nell?esempio realizzate nel secondo strato strutturale L2, configurate in modo tale da costituire un accoppiamento meccanico del tutto trascurabile tra la rispettiva porzione di raccordo 30a, 30b e gli ancoraggi elettrici 34.

Nella forma di realizzazione illustrata, tali elementi elettrici di collegamento 35 presentano una prima estremit? accoppiata solidalmente meccanicamente ed elettricamente alla sottostante porzione di raccordo 30a, 30b ed una seconda estremit? collegata ad un rispettivo ancoraggio elettrico 34. Inoltre, per ciascuna porzione di raccordo 30a, 30b sono presenti due ancoraggi elettrici 34 (e rispettivi elementi elettrici di collegamento 35), disposti da parte opposta rispetto al primo asse orizzontale x, in prossimit? della singola struttura di ancoraggio 20.

In particolare, gli ancoraggi elettrici 34 attraversano in tal caso verticalmente la porzione di raccordo 30a, 30b del rispettivo elemento di statore 28a, 28b, da cui sono separati da una trincea di separazione 37.

Gli ancoraggi elettrici 34 sono costituiti da porzioni del primo strato strutturale L1 (e, nel presente caso, del secondo strato strutturale L2), che sono collegate direttamente (mediante una porzione di raccordo di silicio epitassiale) ad una rispettiva sottostante piazzola o pista conduttiva di collegamento di statore (indicata con S1, S2 in Figura 3) disposta sulla superficie superiore 14a del substrato 14.

In sostanza, nella struttura di rilevamento 11 si definiscono cos? separati e distinti percorsi conduttivi per la polarizzazione elettrica ed il rilevamento del segnale di variazione capacitiva ed in particolare: un primo ed un secondo percorso conduttivo per il collegamento elettrico del primo e del secondo elemento di statore 28a, 28b, che comprendono i suddetti ancoraggi elettrici 34 e la rispettiva piazzola di collegamento di statore S1, S2, i rispettivi elementi elettrici di collegamento 35 e la porzione di raccordo 30a, 30b degli stessi elementi di statore 28a, 28b; ed un terzo percorso conduttivo per il collegamento elettrico della massa mobile 12, che comprende la singola struttura di ancoraggio 20 e la relativa piazzola di collegamento di rotore R e gli elementi elastici di ancoraggio 18.

In uso, il movimento di azionamento delle strutture di azionamento 22a, 22b lungo il primo asse orizzontale x (in versi opposti) trascina in rotazione la massa mobile 12 intorno all?asse verticale z (ed al centro O); in particolare, tali movimenti di azionamento sono consentiti dalla deformazione per flessione nel piano orizzontale xy degli elementi elastici di accoppiamento 27a, 27b e degli elementi elastici di ancoraggio 18.

In presenza della velocit? angolare ?x intorno al primo asse orizzontale x, la massa mobile 12 subisce inoltre, per l?effetto di Coriolis, la rotazione intorno al secondo asse orizzontale y, causando un suo spostamento al di fuori del piano orizzontale xy ed una conseguente variazione capacitiva differenziale dei condensatori di rilevamento formati tra la stessa massa mobile 12 e gli elementi di statore 28a, 28b; in particolare, tale movimento di rilevamento ? consentito dalla deformazione per torsione degli elementi elastici di ancoraggio 18.

Vantaggiosamente, la presenza della singola struttura di ancoraggio 20 consente sostanzialmente di eliminare gli spostamenti relativi tra rotore e statore per effetto di stress o stimoli esterni.

In particolare, come mostrato schematicamente nella Figura 4, anche in presenza di deformazioni del substrato 14, ad esempio dovute ad uno stress termico associato ad un gradiente di temperatura positivo, e delle conseguenti deformazioni della superficie superiore 14a dello stesso substrato 14, non si verifica sostanzialmente alcun movimento relativo tra la massa mobile 12 e gli elementi di statore 28a, 28b nella condizione di riposo, in assenza di velocit? angolare esterna (in altre parole, non vi ? variazione della distanza di affaccio a riposo). I suddetti elementi di statore 28a-28b e la massa mobile 12 sono infatti forzati a muoversi insieme, in maniera solidale, in virt? dell?accoppiamento solidale alla singola struttura di ancoraggio 20. Di conseguenza, vantaggiosamente, non si verifica alcuna modifica indesiderata del segnale di uscita a riposo fornito dal giroscopio microelettromeccanico 10, non verificandosi in sostanza alcun cambiamento dello ?zerog level?.

Si sottolinea inoltre che eventuali deformazioni del substrato 14 in corrispondenza degli ancoraggi elettrici 34 (rispetto alla posizione della suddetta singola struttura di ancoraggio 20) sono assorbite elasticamente, in maniera completa, dagli elementi elettrici di collegamento 35, senza dunque interessare la stessa singola struttura di ancoraggio 20 e nuovamente senza causare variazioni indesiderate del segnale di rilevamento fornito in uscita dal giroscopio MEMS 10.

Con riferimento alla vista in pianta di Figura 5, viene ora descritta una seconda forma di realizzazione della presente soluzione, relativa ad un giroscopio MEMS, nuovamente indicato con 10, di tipo biassiale, per il rilevamento della velocit? angolare ?x intorno al primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy ed inoltre di una ulteriore velocit? angolare ?y intorno al secondo asse orizzontale y dello stesso piano orizzontale xy.

Come risulter? evidente dall?esame della suddetta Figura 5, la configurazione della struttura di rilevamento 11 ? sostanzialmente equivalente a quella descritta in precedenza per la prima forma di realizzazione uniassiale.

In questo caso, la massa mobile 12 comprende inoltre una terza ed una quarta porzione di rilevamento 12c, 12d, che si estendono a partire dalla cornice 15 internamente alla finestra 16, sospese a sbalzo rispetto al substrato 14, aventi in questo caso una forma sostanzialmente ad arco di circonferenza nel piano orizzontale xy (cos? come la prima e la seconda porzione di rilevamento 12a, 12b, aventi anch?esse la stessa forma ad arco di circonferenza).

La massa mobile 12 ? in questo caso accoppiata elasticamente alla singola struttura di ancoraggio 20 mediante ulteriori elementi elastici di ancoraggio 18, aventi estensione lineare lungo il primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy e cedevoli a flessione nel piano orizzontale xy e a torsione intorno allo stesso primo asse orizzontale x. Si noti che in questa forma di realizzazione, gli elementi elastici di ancoraggio 18 si estendono a partire da una rispettiva porzione di rilevamento 12a-12d verso la singola struttura di ancoraggio 20.

La struttura di rilevamento 11 comprende inoltre un terzo ed un quarto elemento di statore 28c, 28d, disposti all?interno della finestra 16, da parti opposte rispetto al primo asse orizzontale x, in configurazione sospesa al di sopra del substrato 14 ed al di sotto della massa inerziale 12, essendo nuovamente formati nel primo strato strutturale L1.

In particolare, ciascun elemento di statore 28c, 28d comprende anche in questo caso una rispettiva porzione di rilevamento 29c, 29d disposta sospesa al di sopra della superficie superiore 14a del substrato 14, affacciata al di sotto di una rispettiva porzione di rilevamento 12c, 12d della massa mobile 12, in modo da formare un rispettivo condensatore di rilevamento, a facce piane e parallele.

Ciascun ulteriore elemento di statore 28c, 28d comprende anche in questo caso una rispettiva porzione di raccordo 30c, 30d, interposta, nel piano orizzontale xy, tra la rispettiva porzione di rilevamento 29c, 29d e la singola struttura di ancoraggio 20, ed accoppiata solidalmente alla stessa singola struttura di ancoraggio 20.

In analogia a quanto discusso in precedenza, ciascuna porzione di raccordo 30c, 30d ? accoppiata ad una sovrastante porzione superiore 20a della singola struttura di ancoraggio 20 (realizzata nel secondo strato strutturale L2) mediante una regione dielettrica 32, in particolare di ossido di silicio.

Come descritto in precedenza, ciascuna porzione di raccordo 30c, 30d ? inoltre accoppiata a rispettivi ancoraggi elettrici 34, distinti e separati rispetto alla singola struttura di ancoraggio 20, attraverso rispettivi elementi elettrici di collegamento 35. Nuovamente, tali elementi elettrici di collegamento 35 presentano una prima estremit? accoppiata solidalmente meccanicamente ed elettricamente alla sottostante porzione di raccordo 30c, 30d ed una seconda estremit? collegata ad un rispettivo ancoraggio elettrico 34, essendo realizzati nel secondo strato strutturale L2.

Si noti che in questa forma di realizzazione le porzioni di raccordo 30a-30d dei rispettivi elementi di statore 28a-28d sono attraversate nel piano orizzontale xy dagli elementi elastici di ancoraggio 18.

In particolare, in questa forma di realizzazione, sono presenti quattro regioni dielettriche 32, disposte ai vertici della singola struttura di ancoraggio 20 (in questo caso avente sezione sostanzialmente quadrata nel piano orizzontale xy), ciascuna regione dielettrica 32 accoppiando solidalmente due porzioni di raccordo 30a-30d di adiacenti elementi di statore 28a-28d alla porzione superiore 20a della stessa singola struttura di ancoraggio 20.

Inoltre, in questa seconda forma di realizzazione, gli elementi elastici di accoppiamento 27a, 27b che accoppiano elasticamente le masse di azionamento 22a, 22b alla massa mobile 12 hanno una conformazione ripiegata (?folded?), in modo da consentire la rotazione della massa mobile 12 non solo intorno al secondo asse orizzontale y ma anche intorno al primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy.

Il funzionamento della struttura di rilevamento 11 non varia in maniera sostanziale rispetto a quanto descritto in precedenza, se non per il fatto che la massa mobile 12, in presenza della velocit? angolare ?y intorno al secondo asse orizzontale y, subisce inoltre, per l?effetto di Coriolis, la rotazione intorno al primo asse orizzontale x, causando una variazione capacitiva differenziale dei condensatori di rilevamento formati tra la stessa massa mobile 12 e gli ulteriori elementi di statore 28c, 28d; in particolare, tale movimento di rilevamento ? consentito dalla deformazione per torsione degli ulteriori elementi elastici di ancoraggio 18. Vantaggiosamente, i movimenti di rilevamento della massa mobile per effetto delle velocit? angolari ?x intorno al primo asse orizzontale x e ?y intorno al secondo asse orizzontale y risultano sostanzialmente disaccoppiati.

Una ulteriore variante realizzativa, che viene illustrata schematicamente in Figura 6, prevede una differente forma, nel piano orizzontale xy, delle superfici affacciate della cornice 15 della massa mobile 12 e degli elementi di statore 28a, 28b (quanto descritto si pu? evidentemente applicare analogamente agli elementi di statore 28c, 28d), in particolare delle relative porzioni di rilevamento 29a, 29b.

In questa forma di realizzazione, tali superfici affacciate hanno, nel piano orizzontale xy, una forma di un poligono regolare, anzich? ad arco di circonferenza.

Nell?esempio mostrato nella suddetta Figura 6, gli elementi di statore 28a, 28b definiscono congiuntamente, nel piano orizzontale xy, un esagono regolare. In maniera corrispondente, anche la cornice 15 presente internamente una superficie affacciata ai suddetti elementi di statore 28a, 28b avente una forma complessivamente esagonale nel piano orizzontale xy.

Il principio di funzionamento della struttura di rilevamento 11 non varia in questa forma di realizzazione rispetto a quanto precedentemente riportato. Tuttavia, pu? essere richiesta una progettazione dimensionale opportuna, al fine di evitare un possibile impatto tra le suddette superficie affacciate durante il movimento di azionamento della massa mobile 12.

Ad esempio, nel suddetto caso esagonale, la presente Richiedente ha verificato che, nel caso in cui sia soddisfatta la relazione seguente tra lati affacciati LR e LS rispettivamente della suddetta cornice 15 della massa mobile 12 e dei suddetti elementi di statore 28a, 28b:

l?angolo di rotazione di azionamento della massa mobile 12 intorno all?asse verticale z deve essere minore o uguale di 30?, al fine di evitare i suddetti impatti tra le superfici affacciate.

Ne consegue che la forma circolare nel piano orizzontale xy per le suddette superfici affacciate ? in ogni caso preferibile e vantaggiosa, dato che assicura in ogni condizione l?assenza di impatti tra le stesse superfici affacciate durante l?azionamento della massa mobile 12.

Tale forma circolare evita anche la presenza di eventuali modi comuni elettrici dovuti ad una variazione delle superfici di affaccio, variazione che potrebbe al contrario verificarsi nel caso di forme di realizzazione poligonali (in presenza di una non perfetta simmetria della struttura di rilevamento 11).

Con riferimento alla Figura 7 viene ora descritto un apparecchio elettronico 40, in cui pu? essere utilizzato il giroscopio microelettromeccanico 10.

Il giroscopio microelettromeccanico 10 include, oltre alla suddetta struttura di rilevamento 11, un circuito ASIC 43 che realizza la relativa interfaccia di lettura (e che pu? essere realizzato nella stessa piastrina ? ?die? ? in cui ? realizzata la struttura di rilevamento 11 o in una differente piastrina, che pu? comunque essere alloggiata in uno stesso package).

L?apparecchio elettronico 40 ? ad esempio 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 capacit? di registrazione vocale, una foto- o video-camera, un controller per videogiochi, ecc.; l?apparecchio elettronico 40 ? generalmente in grado di elaborare, memorizzare e/o trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.

L?apparecchio elettronico 40 comprende un microprocessore (CPU) 44, che riceve i segnali rilevati dal giroscopio microelettromeccanico 10, 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 pu? comprendere una memoria interna 48, accoppiata operativamente al microprocessore 44.

I vantaggi del giroscopio microelettromeccanico secondo la presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In ogni caso, si sottolinea nuovamente come la presente soluzione consenta sostanzialmente di annullare le derive delle prestazioni elettriche della struttura di rilevamento 11, dovute alle deformazioni del substrato 14, a causa di sollecitazioni e stimoli esterni, ad esempio a causa 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 umidit?).

La struttura di rilevamento 11 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 sensibilit?, non risultano inoltre variare rispetto a soluzioni tradizionali, dato che il meccanismo di rilevamento non viene modificato, cos? come non vengono sostanzialmente modificate la conformazione e la disposizione degli elettrodi di rilevamento rispetto alla massa inerziale.

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, ? evidente che la struttura di rilevamento 11 del giroscopio microelettromeccanico 10, di tipo uniassiale, pu? essere disposta nel piano orizzontale per rilevare una velocit? angolare intorno al secondo asse orizzontale y (anzich? intorno primo asse orizzontale x), in maniera del tutto analoga a quanto discusso in precedenza (in tal caso, essendo presenti solamente la terza e la quarta porzione di rilevamento 12c, 12d della massa mobile e gli accoppiati terzo e quarto elemento di statore 28c, 28d).

Alcuni aspetti della struttura di rilevamento 11 potrebbero inoltre variare, senza che questo comporti modifiche sostanziali alla soluzione proposta. Ad esempio, come del resto gi? indicato in precedenza, potrebbe essere prevista una differente conformazione nel piano orizzontale xy degli elementi di statore 28a-28d e della cornice 15 della massa mobile 12.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI

1. Giroscopio microelettromeccanico (10) dotato di una struttura di rilevamento (11) comprendente:

un substrato (14) avente una superficie superiore (14a) parallela ad un piano orizzontale (xy);

una massa mobile (12), sospesa al di sopra del substrato (14) e configurata in modo da eseguire, in funzione di una prima velocit? angolare (?x) intorno ad un primo asse (x) di detto piano orizzontale (xy) almeno un primo movimento di rilevamento di rotazione intorno ad un secondo asse (y) di detto piano orizzontale; ed

un primo ed un secondo elemento di statore (28a, 28b) solidali al substrato (14) e disposti al di sotto di detta massa mobile (12) per definire con detta massa mobile (12) un accoppiamento capacitivo, un cui valore di capacit? ? indicativo di detta prima velocit? angolare (?x), caratterizzato dal fatto che detta struttura di rilevamento (11) comprende una singola struttura di ancoraggio meccanico (20) per l?ancoraggio a detto substrato (14) sia di detta massa mobile (12) sia di detti elementi di statore (28a, 28b), disposta internamente rispetto a detta massa mobile (12) in detto piano orizzontale (xy); detta massa mobile (12) essendo accoppiata a detta singola struttura di ancoraggio meccanico (20) mediante elementi elastici di accoppiamento (18), cedevoli a torsione intorno a detto secondo asse (y); e detti elementi di statore (28a, 28b) essendo accoppiati solidalmente a detta singola struttura di ancoraggio meccanico (20) in una disposizione sospesa al di sopra di detta superficie superiore (14a) di detto substrato (14).

2. Giroscopio secondo la rivendicazione 1, in cui detta massa mobile (12) comprende una cornice (15) definente internamente una finestra (16) ed inoltre una prima ed una seconda porzione di rilevamento (12a, 12b), che si estendono internamente alla finestra (16) a partire dalla cornice (15), sospese rispetto al substrato (14); ed in cui detti elementi di statore (28a, 28b) comprendono una rispettiva porzione di rilevamento (29a, 29b) disposta sospesa al di sopra della superficie superiore (14a) del substrato (14), affacciata al di sotto di una rispettiva porzione di rilevamento (12a, 12b) della massa mobile (12), in modo da formare un rispettivo condensatore di rilevamento.

3. Giroscopio secondo la rivendicazione 2, comprendente un primo ed un secondo strato strutturale (L1, L2), tra loro sovrapposti e disposti al di sopra di detto substrato (14); in cui dette prima e seconda porzione di rilevamento (12a, 12b) di detta massa mobile (22) sono formate in detto secondo strato strutturale (L2), disposto a maggiore distanza rispetto a detta superficie anteriore (14a) del substrato (14); e detti elementi di statore (28a, 28b) sono formati in detto primo strato strutturale (L1), disposto a minore distanza rispetto a detta superficie anteriore (14a) del substrato (14).

4. Giroscopio secondo la rivendicazione 3, in cui detti elementi di statore (28a, 28b) comprendono inoltre una rispettiva porzione di raccordo (30a, 30b), interposta, nel piano orizzontale xy, tra la rispettiva porzione di rilevamento (29a, 29b) e la singola struttura di ancoraggio (20); in cui dette porzioni di raccordo (30a, 30b) sono accoppiate solidalmente ad una sovrastante porzione superiore (20a) della singola struttura di ancoraggio (20), realizzata in detto secondo strato strutturale (L2), mediante una rispettiva regione dielettrica (32), interposta a contatto tra superfici affacciate di dette porzioni di raccordo (30a, 30b) e di detta sovrastante porzione superiore (20a) della singola struttura di ancoraggio (20).

5. Giroscopio secondo la rivendicazione 4, in cui detta singola struttura di ancoraggio (20) comprende inoltre una porzione inferiore (20b), realizzata nel primo strato strutturale (L1), accoppiata solidalmente alla porzione superiore (20a) ed inoltre accoppiata meccanicamente ed elettricamente ad un elemento conduttivo di collegamento di rotore (R) disposto su detta superficie superiore (14a) del substrato (14); le porzioni di raccordo (30a, 30b) di detti elementi di statore (28a, 28b) essendo separate da detta porzione inferiore (20b) da una trincea di separazione (31) in detto piano orizzontale (xy).

6. Giroscopio secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui dette porzioni di rilevamento (29a, 29b) di detti elementi di statore (28a, 28b) sono affacciate a distanza nel piano orizzontale (xy) ad una parete (17) della cornice (15) di detta massa mobile (12); in cui le superfici di affaccio di dette porzioni di rilevamento (29a, 29b) e di detta cornice (15) hanno, nel piano orizzontale (xy), una conformazione ad arco di cerchio.

7. Giroscopio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-6, in cui dette porzioni di raccordo (30a, 30b) di detti elementi di statore (28a, 28b) sono accoppiate a rispettivi ancoraggi elettrici (34), distinti e separati rispetto alla singola struttura di ancoraggio (20), attraverso rispettivi elementi elettrici di collegamento (35) configurati in modo da costituire un accoppiamento meccanico trascurabile.

8. Giroscopio secondo la rivendicazione 7, in cui detti elementi elettrici di collegamento (35) sono realizzati in detto secondo strato strutturale (L2) e presentano una prima estremit? accoppiata solidalmente meccanicamente ed elettricamente ad una sottostante porzione di raccordo (30a, 30b) di detti elementi di statore (28a, 28b) ed una seconda estremit? collegata ad un rispettivo ancoraggio elettrico (34); ed in cui detti ancoraggi elettrici (34) sono accoppiati meccanicamente ed elettricamente a rispettivi elementi conduttivi di collegamento di statore (S1, S2) disposti su detta superficie superiore (14a) del substrato (14).

9. Giroscopio secondo la rivendicazione 8, in cui la struttura di rilevamento (11) definisce: un primo ed un secondo percorso conduttivo per il collegamento elettrico del primo e del secondo elemento di statore (28a, 28b), comprendenti detti ancoraggi elettrici (34) e i rispettivi elementi conduttivi di collegamento di statore (S1, S2), i rispettivi elementi elettrici di collegamento (35) e la rispettiva porzione di raccordo (30a, 30b); ed un terzo percorso conduttivo per il collegamento elettrico della massa mobile (12), che comprende detta singola struttura di ancoraggio (20), un relativo elemento conduttivo di collegamento di rotore (R) e detti elementi elastici di ancoraggio (18).

10. Giroscopio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-9, in cui detti primo e secondo strato strutturale (L1, L2) sono strati di silicio epitassiale cresciuti al di sopra della superficie superiore (14a) di detto substrato (14), tra loro almeno parzialmente disaccoppiati elettricamente e/o meccanicamente.

11. Giroscopio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-10, in cui detta massa mobile (12) ? inoltre configurata in modo da eseguire un secondo movimento di rilevamento di rotazione intorno al primo asse (x) di detto piano orizzontale (xy), in funzione di una seconda velocit? angolare (?y) intorno al secondo asse (y) di detto piano orizzontale (xy); comprendente inoltre un terzo ed un quarto elemento di statore (28c, 28d) sospesi al di sopra del substrato (14) ed al di sotto di detta massa mobile (12) e definenti con detta massa mobile (12) un accoppiamento capacitivo, un cui valore di capacit? ? indicativo di detta seconda velocit? angolare (?y).

12. Giroscopio secondo la rivendicazione 11, in cui detta massa mobile (12) comprende inoltre una terza ed una quarta porzione di rilevamento (12c, 12d), che si estendono a partire dalla cornice (15) internamente alla finestra (16), sospese rispetto al substrato (14), affacciate a detto terzo e, rispettivamente, quarto elemento di statore (28c, 28d); ed in cui detta massa mobile (12) ? accoppiata elasticamente alla singola struttura di ancoraggio (20) mediante ulteriori elementi elastici di ancoraggio (18), cedevoli a torsione intorno a detto primo asse orizzontale (x).

13. Giroscopio secondo la rivendicazione 12, in cui detti elementi elastici (18) hanno estensione lineare lungo il primo o secondo asse orizzontale (x, y) del piano orizzontale (xy) e sono inoltre cedevoli a flessione nel piano orizzontale (xy).

14. Giroscopio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una prima ed una seconda massa di azionamento (22a, 22b), disposte esternamente alla cornice (15) della massa mobile (12) e accoppiate alla cornice (15) mediante elementi elastici di accoppiamento (27a, 27b), cedevoli a flessione nel piano orizzontale (xy); dette masse di azionamento (22a, 22b) definendo una rispettiva cornice a cui sono accoppiati, internamente, primi elettrodi di azionamento (23), in configurazione interdigitata a secondi elettrodi di azionamento (24), fissi e solidali al substrato (14), ed essendo accoppiate elasticamente al substrato (14) in modo da eseguire un movimento di azionamento di traslazione lineare, in seguito alla polarizzazione di detti primi e secondi elettrodi di azionamento (23, 24).

15. Dispositivo elettronico (40), comprendente il giroscopio microelettromeccanico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un?unit? di elaborazione (44) accoppiata al giroscopio microelettromeccanico (10) e configurata in modo da ricevere segnali di rilevamento indicativi di detta prima velocit? angolare (?x).