ITMI20122240A1 - Dispositivo elettronico integrato per la rilevazione di un parametro locale correlato ad una forza avvertita lungo una direzione predeterminata, all'interno di una struttura solida - Google Patents

Description

“Dispositivo elettronico integrato per la rilevazione di un parametro locale correlato ad una forza avvertita lungo una direzione predeterminata, all’interno di una struttura solidaâ€

DESCRIZIONE

SFONDO TECNOLOGICO DELL’INVENZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione si riferisce in generale ai dispositivi elettronici integrati per il monitoraggio di parametri all’interno di una struttura solida, ed in particolare ad un dispositivo elettronico integrato per la rilevazione di un parametro locale correlato ad una forza avvertita lungo una direzione predeterminata, all’interno di una struttura solida.

Descrizione dell’arte nota

All’interno di strutture solide, ad esempio particolarmente in strutture portanti di ponti, palazzi, gallerie, ferrovie, muri di contenimento, dighe, argini, solette e travi di edifici, condutture e strutture sotterranee di metropolitane urbane, e così via, à ̈ molto importante il monitoraggio, in corrispondenza di più punti, di parametri significativi, in particolare degli sforzi meccanici (e dunque delle forze e/o delle pressioni che causano tali sforzi meccanici) a cui la struttura solida à ̈ sottoposta.

Ai fini della presente descrizione, per strutture solide s’intendono strutture in materiale edilizio, quale ad esempio cemento, calcestruzzo, malta, e così via.

Tale monitoraggio, effettuato periodicamente o continuativamente, può essere utile sia in fase iniziale di costruzione sia durante il periodo di vita di una struttura solida.

A tal proposito, sono noti dispositivi elettronici di monitoraggio che impiegano sensori in grado di fornire buone prestazioni a costi comunque contenuti. Solitamente, tali dispositivi elettronici sono applicati direttamente sulla superficie esterna della struttura solida da monitorare, o all’interno di recessi già previsti in essa ed accessibili all’esterno.

Per migliorare il monitoraggio, al fine di ottenere una valutazione affidabile della struttura solida, in termini di sicurezza e invecchiamento, della reazione a condizioni atmosferiche variabili, e così via, sono state altresì sviluppate soluzioni in cui i dispositivi elettronici di monitoraggio sono interamente contenuti, cioà ̈ “sepolti†, all’interno del materiale (ad esempio cemento armato) con cui à ̈ fabbricata la struttura solida da monitorare.

US 6,950,767 mostra un dispositivo elettronico di monitoraggio quale un sistema incapsulato in un unico contenitore, composto di diverse parti, assemblate su un substrato, quali circuiti integrati, sensori, antenne, condensatori, batterie, memorie, unità di controllo, ed altro ancora, realizzati in diversi “chip†tra loro elettricamente collegati. La soluzione descritta in US 6,950,767 à ̈ una soluzione cosiddetta di tipo “System in Package†(SiP). Si deve però osservare che un SiP, destinato ad essere “annegato†inizialmente in un materiale per costruzioni (ad es. calcestruzzo liquido, destinato poi a solidificarsi) ed a rimanere poi “sepolto†nella struttura solida, à ̈ sottoposto a condizioni critiche, ad esempio a causa delle altissime pressioni a cui à ̈ soggetto, che possono essere anche di alcune centinaia di atmosfere. Esistono poi numerose altre cause di usura, nel tempo, dovute ad esempio ad infiltrazioni di acqua, in grado di danneggiare il sistema.

Pertanto, la soluzione descritta in US 6,950,767 non à ̈ del tutto soddisfacente in termini di affidabilità, nel citato ambito di applicazione.

Altre soluzioni appartenenti alla tecnica nota sfruttano l’effetto piezoresistivo, ovvero la dipendenza tra un segnale elettrico generato da un sensore piezoresistivo ed uno sforzo meccanico (ovvero deformazione, cioà ̈ compressione o trazione) avvertito dal materiale (ad esempio, silicio) con cui à ̈ fabbricato il sensore. Lo sforzo meccanico può essere a sua volta rappresentativo di una pressione e/o forza cui il sensore à ̈ sottoposto. Il rapporto tra la forza applicata ed il segnale elettrico generato (sensitività) dipende dalla reazione del materiale (silicio) alle sollecitazioni, che a sua volta dipende dall’orientamento cristallino del silicio. La sensitività à ̈ dunque funzione della direzione lungo la quale la forza, ed il conseguente sforzo meccanico, sono applicati.

L’intensità complessiva misurata dai dispositivi dell’arte nota citata in precedenza comprende un contributo derivante dalla componente verticale della forza, ma anche un contributo derivante dalla componente orizzontale (o con definizione equivalente “laterale†) della forza.

Nel caso in cui si desideri rilevare la componente verticale della forza, e nel caso in cui tale componente (forza peso) sia molto maggiore della componente laterale, nonostante l’intensità rilevata sia una buona approssimazione del risultato che si vuole ottenere, i dispositivi dell’arte nota sopra menzionati presentano alcuni inconvenienti.

Innanzitutto, come già notato, il risultato della misura del sensore non corrisponde alla sola componente verticale.

Inoltre, il risultato della misura del sensore può non corrispondere nemmeno alla intensità effettiva della forza, poiché le due componenti verticale e trasversale possono risultare diversamente pesate da differenti valori di sensitività.

In aggiunta, non à ̈ possibile discriminare tra le due componenti, né misurarle separatamente.

Ancora, nel caso in cui si voglia misurare la forza laterale, ciò non si può ottenere semplicemente orientando il sensore in modo da allineare la direzione di massima sensibilità con uno degli assi cristallini. Infatti, in tal caso, il risultato sarebbe influenzato anche dalla componente lungo l’asse cristallino allineato alla verticale, e dunque risente del peso della struttura, il che pregiudica completamente la correttezza e precisione del risultato.

Inoltre, a livello generale, si fa presente che le strutture edilizie da monitorare possono essere sistemi anisotropi, in cui ogni punto può essere sottoposto a forze/sforzi lungo diverse direzioni, ovvero aventi almeno due componenti che si desidera misurare separatamente.

Pertanto, in una struttura solida di tal tipo à ̈ necessario conoscere anche gli sforzi meccanici laterali di flessione o compressione o trazione, presenti nei punti da monitorare, dovuti ad esempio ai venti o a particolari conformazioni strutturali, al fine di ottenere un monitoraggio il più possibile preciso per una manutenzione efficace della struttura solida.

Alla luce di questo, à ̈ fortemente sentita l’esigenza di migliorare la precisione e la correttezza della rilevazione, ed in particolare di consentire una rilevazione separata di ciascuna delle componenti verticale e laterale dello sforzo meccanico avvertito, o in altri termini, di rilevare la componente della forza applicata in un punto lungo una specifica direzione di interesse (sia essa verticale o laterale).

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo elettronico integrato per la rilevazione di un parametro locale correlato ad una forza avvertita lungo una direzione predeterminata, all’interno di una struttura solida, che consenta di ovviare almeno parzialmente agli inconvenienti qui sopra descritti con riferimento alla tecnica nota.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Tale scopo viene raggiunto da un dispositivo elettronico integrato secondo la rivendicazione 1.

Ulteriori forme di realizzazione di tale dispositivo sono definite nelle rivendicazioni dipendenti 2-13.

Formano oggetto della presente invenzione anche un modulo di rilevazione e monitoraggio, comprendente il dispositivo elettronico integrato, secondo la rivendicazione 14 ed un sistema di monitoraggio, comprendente il modulo di rilevazione e monitoraggio, secondo la rivendicazione 16.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo elettronico integrato, secondo l’invenzione, risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle annesse figure, in cui:

- le figure 1A ed 1B illustrano esempi di diagrammi di sensitività (ovvero coefficienti piezoresistivi) di un sensore del dispositivo elettronico integrato secondo una forma di realizzazione dell’invenzione; - le figura 2, 3 e 4 illustrano schematicamente viste in sezione laterale di un dispositivo elettronico integrato secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;

- le figure 5, 6, 7, 8 e 9 illustrano schematicamente una vista in sezione laterale di un dispositivo elettronico integrato secondo ulteriori forme di realizzazione dell’invenzione;

- la figura 10 illustra schematicamente mediante un diagramma a blocchi un dispositivo elettronico integrato secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;

- la figura 11 illustra schematicamente mediante un diagramma a blocchi un modulo di rilevazione e monitoraggio comprendente il dispositivo elettronico integrato, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;

- la figura 12 illustra schematicamente, da un punto di vista strutturale, il modulo di rilevazione e monitoraggio della figura 12;

- la figura 13 illustra schematicamente, da un punto di vista strutturale, un modulo di rilevazione e monitoraggio, secondo una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, e

- la figura 14 illustra schematicamente un sistema di monitoraggio secondo una forma di realizzazione dell’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle suddette figure, viene ora descritto un dispositivo elettronico integrato per la rilevazione di un parametro locale correlato ad una forza avvertita lungo una direzione predeterminata, all’interno di una struttura solida, secondo la presente invenzione.

Il dispositivo elettronico integrato, nel seguito anche semplicemente dispositivo, Ã ̈ indicato nelle figure, nel suo complesso, con il riferimento numerico 1.

Si fa presente che elementi uguali o simili saranno indicati nelle figure con gli stessi riferimenti numerici o letterali.

Con riferimento particolare alle figure 1A e 1B, si riportano alcuni concetti relativi all’effetto piezoresistivo su cui si basa il funzionamento dei sensori di forza/pressione impiegati nel dispositivo 1.

Un sensore di pressione del tipo considerato à ̈ in grado di trasformare in una variabile elettrica un valore di pressione, sfruttando ad esempio le variazioni note che lo sforzo meccanico indotto dalla pressione sul semiconduttore (ad esempio, silicio) induce ad esempio sulla mobilità di elettroni/lacune nel semiconduttore stesso.

Come noto, tale mobilità dipende dalla pressione in una maniera dipendente dall’orientamento cristallino del materiale semiconduttore, secondo le leggi che regolano il fenomeno della piezoresistenza. In particolare, con riferimento agli indici di Miller, si consideri ad esempio un cristallo di tipo N (analogamente si ha per un cristallo di tipo P) nel piano (100)], definito dagli assi cristallini [100] e [010]. In tale esempio, illustrato nella figura 1B, la sensitività allo sforzo meccanico, dunque alla pressione, à ̈ massima se tale sforzo si applica lungo gli assi [100] e [010] rispetto ad un sistema di riferimento associato all’orientamento cristallino, mentre à ̈ minima lungo gli assi [110]. L’andamento angolare per ogni angolo φ à ̈ mostrato in figura 1B.

Al fine di rilevare la pressione e/o forza agente in una certa predeterminata direzione, à ̈ necessario posizionare il sensore in modo che la predeterminata direzione coincida con l’asse di massima sensitività (o con uno degli assi di massima sensitività).

Per chiarezza di descrizione, si ipotizzerà sempre che tale asse à ̈ [001], ma evidentemente la descrizione può essere facilmente generalizzata nel caso di notazioni convenzionalmente diverse.

Per quanto riguarda il sistema di riferimento xy-z rispetto a cui viene definita la direzione di rilevazione, ai fini della presente descrizione, con il riferimento “z†sarà indicato l’asse verticale (quello su cui agisce la forza di gravità) e con i riferimento “x†ed “y†gli assi ortogonali all’asse “z†, definenti dunque un piano orizzontale. Pertanto, una forza agente su un punto di una struttura solida à ̈ scomponibile in due componenti, una componente verticale Fzed una componente orizzontale Fxy.

La figura 1A mostra i lobi di sensitività sul piano perpendicolare a quello considerato nella figura 1B, ovvero, rispetto agli assi cristallini, sul piano contenente gli assi [100] e [010]. Il diagramma della figura 1A illustra dunque l’effetto della componente verticale Fzdella forza, dipendente dall’angolo Î ̧ formato dalla direzione di applicazione di tale forza rispetto all’asse [010], sul piano [010]-[100].

In modo del tutto analogo, il diagramma della figura 1B illustra l’effetto della componente orizzontale Fxydella forza, dipendente dall’angolo φ formato dalla direzione di applicazione di tale forza rispetto all’asse [010] sul piano [010]-[001]. Si noti che nella figura 1B sono indicate in tratteggio, a titolo di esempio, direzioni di minima sensitività con φ = 45°.

Nel complesso, le figure 1A e 1B illustrano la dipendenza “tridimensionale†della sensitività allo sforzo meccanico, cioà ̈ compressione o trazione, avvertito dal sensore, in funzione di una forza e/o pressione applicata lungo una qualsivoglia direzione. Tale dipendenza potrebbe essere immaginata anche come un diagramma tridimensionale, in cui i lobi volumetrici appaiono simili ad ellissoidi di rotazione.

In altri termini, le strutture piezoresistive realizzate nel materiale semiconduttore del chip, quindi integrate nel dispositivo 1, secondo l’invenzione, sono sensibili alle pressioni, e quindi alle forze, a cui sono sottoposte tutte le superfici del dispositivo stesso, sia in trazione che in compressione. Se si ipotizza che tali strutture piezoresistive, in particolare il sensore, siano in silicio, si può osservare che la relazione tra segnale elettrico generato e sforzo applicato à ̈ quasi perfettamente lineare, sia sull’asse positivo (compressione) che sull’asse negativo (trazione), sino a valori di sforzo molto elevati.

Con riferimento ora alle figure 2, 3, 4 e 5, viene ora descritto il dispositivo 1 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Come già indicato in precedenza, il dispositivo 1 à ̈ configurato per la rilevazione di un parametro locale correlato ad una forza avvertita (ad esempio F2) lungo una direzione predeterminata D1, all’interno di una struttura solida (non mostrata nelle figure). La direzione predeterminata D1 à ̈ indicata nelle figure anche come asse [001], precedentemente definito.

Ai fini della presente descrizione, per “parametro locale correlato ad una forza†s’intende ad esempio una forza o una pressione, oppure uno sforzo meccanico, di compressione o di trazione, causato da tale forza o da tale pressione.

Il dispositivo 1 comprende un substrato 2 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, avente una regione sostanzialmente planare 3 atta a definire un piano P1 sostanzialmente perpendicolare alla direzione predeterminata D1.

Il dispositivo 1 comprende inoltre almeno un sensore 4 (illustrato a partire dalla figura 5) configurato per rilevare detto parametro locale almeno lungo detta direzione predeterminata D1 mediante effetto piezoresistivo.

L’almeno un sensore 4 à ̈ disposto in corrispondenza della regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2.

Nella forma di realizzazione della figura 5, l’almeno un sensore 4 à ̈ disposto in modo tale da essere attraversato dal piano P1 sostanzialmente perpendicolare alla direzione predeterminata D1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3.

Si fa presente che elementi attivi, quali ad esempio piezoresistori, piezotransistori e piezo-MOS dell’almeno un sensore 4 sono formati a partire dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2 impiegando tecniche microelettroniche di tipo noto.

L’almeno un sensore 4 à ̈ un sensore di forza e/o pressione e/o sforzo meccanico, che sfrutta l’effetto piezoresistivo, e si comporta secondo quanto sopra descritto, con riferimento alle figure 1A e 1B.

L’almeno un sensore 4 può essere realizzato ad esempio mediante una porzione di silicio in forma cristallina, avente assi cristallini ben determinati e di orientamento noto. Inoltre, l’almeno un sensore 4 può essere realizzato mediante strutture elettroniche, di per sé note, quale ad esempio un ponte di Wheatstone composto da quattro resistenze, in cui due resistenze sensibili alla pressione sono orientate lungo gli assi [100] e [010] associati all’orientamento cristallino, mentre le altre due sono orientate lungo gli assi [110], orientamento che coincide con l'angolo dell'asse di sensibilità minima dell'effetto piezoresistivo. Il segnale di uscita di tale struttura à ̈ rappresentativo della forza e/o pressione rilevata.

Il dispositivo 1 comprende inoltre almeno una sfaccettatura 5 sostanzialmente planare disposta in una porzione 6 del dispositivo elettronico integrato 1 intorno all’almeno un sensore 4.

Tale almeno una sfaccettatura 5 appartiene ad un piano P2 inclinato di un predeterminato angolo α rispetto al piano P1 perpendicolare a detta direzione predeterminata D1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2.

Tale almeno una sfaccettatura 5 Ã ̈ disposta in modo tale da essere attraversata dal piano P1 perpendicolare a detta direzione predeterminata D1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2.

In accordo ad ulteriori forme di realizzazione, non illustrate nelle figure, il dispositivo 1 può comprendere inoltre almeno un elemento di sigillatura (ad esempio, un anello di sigillatura o “seal ring†) formato a partire dalla regione planare 3 del substrato 2 ed interposto tra l’almeno un sensore 4 (ed eventualmente altra circuiteria elettronica del dispositivo 1) e l’almeno una sfaccettatura 5 in modo da circondare l’almeno un sensore 4 (ed eventualmente altre circuiterie elettroniche del dispositivo 1).

Il predeterminato angolo γ à ̈ definito in modo tale da ridurre l’effetto di forze F1 agenti lungo direzioni diverse dalla direzione predeterminata D1 in corrispondenza della porzione 6 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4.

La Richiedente ha notato che la definizione della suddetta almeno una sfaccettatura 5, sia in termini di posizione sia in termini di inclinazione rispetto al piano P1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2, consente vantaggiosamente di ridurre, nella porzione del dispositivo 1 intorno a detto almeno un sensore 4, lo sforzo laterale a cui à ̈ sottoposta l’almeno un sensore 4 (struttura piezoresistiva) integrato in corrispondenza della regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2. Infatti, tale almeno una sfaccettatura 5 à ̈ tale da modificare la direzione di applicazione della forza F1 sul cristallo, e quindi l’almeno una sfaccettatura 5 svolge una funzione meccanica.

Ciò consente vantaggiosamente di aumentare la sensibilità (sensitività) di una struttura piezoresistiva sostanzialmente alle sole forze (ad esempio F2) perpendicolari alla regione sostanzialmente planare 3, ovvero parallele alla direzione predeterminata D1, lungo la quale à ̈ avvertita la forza F2 di cui à ̈ necessario rilevare il parametro locale ad essa correlato.

Infatti, come illustrato nelle figure 2, 3 e 4, una forza laterale al dispositivo 1, ovvero avente direzione parallela al piano P1 perpendicolare alla direzione predeterminata D1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3, in corrispondenza di detta almeno una sfaccettatura 5, si concretizza in una forza F1 agente lungo una direzione differente dalla direzione predeterminata D1, ovvero lungo una direzione perpendicolare al piano P2 definito da detta almeno una sfaccettatura 5. Pertanto, la presenza di detta almeno una sfaccettatura 5, fa si che una forza laterale al dispositivo 1, quale la forza F1, abbia innanzitutto una direzione principale non parallela al piano P1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3, pertanto non à ̈ diretta verso l’almeno un sensore 4. In aggiunta, l’inclinazione del piano P2 definito da detta almeno una sfaccettatura 5 rispetto al piano P1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2, consente vantaggiosamente di scomporre ulteriormente la forza F1 in una prima componente FX ed in una seconda componente FZ.

La prima componente FX ha direzione parallela al piano P1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2. La seconda componente FZ ha invece direzione parallela alla direzione predeterminata D1.

Tuttavia, la seconda componente FZ non à ̈ diretta verso l’almeno un sensore 4 mentre la prima componente FX, nonostante sia diretta verso l’almeno un sensore 4, ha un valore inferiore rispetto al valore della forza F1 avvertita sull’almeno una sfaccettatura 5. In altre parole, l’effetto della forza F1, agente lungo direzioni diverse dalla direzione predeterminata D1, à ̈ notevolmente ridotta e la percezione che può avere di essa l’almeno un sensore 4 à ̈ ridotta ed al limite trascurabile.

Ciò à ̈ dovuto anche al comportamento dell’effetto piezoresistivo in base a quanto discusso in riferimento alle figure 1A e 1B al variare degli angoli Î ̧ e φ. In particolare con riferimento alla forma di realizzazione della figura 4 si ha che α=Î ̧.

Facendo riferimento a diverse forme di realizzazione dell’invenzione, nel seguito sarà descritta la dipendenza della riduzione dell’effetto di tale forza F1 dal predeterminato angolo di inclinazione γ del piano P2 definito da detta almeno una sfaccettatura 5 rispetto al piano P1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2, perpendicolare alla direzione predeterminata D1.

Con riferimento alla forma di realizzazione della figura 4, noto il predeterminato angolo γ inclinazione del piano P2 definito dall’almeno una sfaccettatura 5 rispetto al piano P1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2, à ̈ facile dimostrare che l’angolo α di inclinazione della forza F1 rispetto al piano P1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 1 à ̈ α = 90° - γ, e quindi l’angolo α à ̈ complementare all’angolo γ.

Se l’angolo α = 36° (γ = 54°) lo sforzo laterale a cui à ̈ sottoposto l’almeno un sensore 4 disposto in corrispondenza della regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2 à ̈ ridotto di un fattore cos(α) = 0.809, quindi si ha una riduzione di circa il 20%.

Se l’angolo α = 45° (γ = 45°) lo sforzo laterale a cui à ̈ sottoposto l’almeno un sensore 4 disposto in corrispondenza della regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2 à ̈ ridotto di un fattore cos(α) = 0.707, quindi si ha una riduzione di circa il 30%. Si noti che in questo caso si ottiene anche che la forza F1 agisce lungo una direzione a cui si ha la minima sensitività del cristallo di silicio agli sforzi.

Pertanto, si può comprendere già dalle caratteristiche sin qui descritte che l’almeno una sfaccettatura 5 à ̈ configurata per ridurre l’effetto di forze F1 agenti lungo direzioni diverse dalla direzione predeterminata D1, rispetto a cui si vuole effettuare la rilevazione, in corrispondenza della porzione 6 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4.

Con riferimento ancora alle figura 2, 3 e 4, si noti che il dispositivo 1 à ̈ configurato per rilevare la forza F2 agente in direzione [001], riducendo l’effetto delle forze F1 agenti su direzioni diverse dalla direzione predeterminata D1 (direzione di rilevazione, definita dall’asse cristallino [001].

Quindi, se l’asse cristallino [001] à ̈ orientato in corrispondenza dell’asse cartesiano z (quindi D1 coincide con z), il dispositivo 1 rileva solo la componente verticale della forza (tale à ̈ in questo caso F2). Se invece l’asse cristallino [001] à ̈ orientato lungo un asse del piano orizzontale (quindi D1 coincide ad esempio con X o Y), il dispositivo rileva solo la componente orizzontale, cioà ̈ laterale della forza, riducendo forze agenti in direzioni differenti dalla direzione predeterminata (in questo caso quella orizzontale), tra le quali anche la forza agente in direzione verticale.

La riduzione della componente non voluta avviene grazie alla conformazione geometrica della porzione 6 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4 grazie alla definizione dell’almeno una sfaccettatura 5, come definita in precedenza. In particolare, tale conformazione geometrica consente di ridurre una forza applicata in modo che essa non venga avvertita dall’almeno un sensore 4, o comunque venga avvertita in modo notevolmente ridotto, e di selezionare come forze da ridurre quelle forze (F1) che agiscono lungo direzioni differenti dalla direzione predeterminata D1 (direzione di rilevazione). In altre parole, tale conformazione geometrica del dispositivo 1 à ̈ tale da schermare i lobi di sensitività dell’almeno un sensore 4 nelle direzioni ortogonali alla direzione di rilevazione.

Con particolare riferimento alle forma di realizzazione delle figure 4, 5 e 6 si fa presente che detta almeno una sfaccettatura 5 sostanzialmente planare disposta in una porzione 6 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4 à ̈ distribuita continuativamente lungo un perimetro definito dalla porzione 6 del dispositivo 1. Si noti che nelle suddette figure (viste in sezione del dispositivo 1) sono visibili solo due lati dell’almeno una sfaccettatura 5, disposti rispettivamente alla destra ed alla sinistra dell’almeno un sensore 4.

In accordo ad un’ulteriore forma di realizzazione, non illustrata nelle figure, il dispositivo 1 può comprendere una pluralità di sfaccettature, del tutto analoghe a detta almeno una sfaccettatura 5, ciascuna estendentesi lungo un lato di un perimetro definito dalla porzione 6 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4. La pluralità di sfaccettature comprende sfaccettature fra loro separate, ovvero prive di raccordo in corrispondenza degli angoli del perimetro definito dalla porzione 6 del dispositivo 1.

Facendo ancora riferimento alle forme di realizzazione illustrate (figure 4, 5 e 6), il dispositivo 1 comprende almeno un’ulteriore sfaccettatura 7 sostanzialmente planare disposta in un’ulteriore porzione 8 del dispositivo elettronico integrato 1 intorno all’almeno un sensore 4, opposta alla porzione 6, definita in precedenza.

Tale almeno un’ulteriore sfaccettatura 7 appartiene ad un piano P3 inclinato di un ulteriore predeterminato angolo γ’ rispetto al piano P1 perpendicolare a detta direzione predeterminata D1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2. Nelle forme di realizzazione delle figure 4, 5 e 6, l’ulteriore predeterminato angolo γ’ à ̈ supplementare al predeterminato angolo γ (γ’ = 180° - γ). In accordo ad altre forme di realizzazione, l’ulteriore predeterminato angolo γ’ può anche essere non supplementare al predeterminato angolo γ di inclinazione.

L’ulteriore predeterminato angolo γ’ à ̈ definito in modo tale da ridurre l’effetto di forze F1 agenti lungo direzioni diverse dalla direzione predeterminata D1 in corrispondenza dell’ulteriore porzione 8 del dispositivo 1.

La presenza di detta almeno un’ulteriore sfaccettatura 7 aumenta vantaggiosamente l’effetto di riduzione delle forze agenti lungo direzioni diverse dalla direzione predeterminata D1 (direzione di rilevazione dell’almeno un sensore 4) già garantito dalla presenza dell’almeno una sfaccettatura 5.

Come già detto in precedenza per l’almeno una sfaccettatura 5, anche l’almeno un’ulteriore sfaccettatura 7 sostanzialmente planare disposta nell’ulteriore porzione 8 del dispositivo 1 può essere distribuita continuativamente lungo un perimetro definito dalla porzione 8 del dispositivo 1. Si noti che nelle suddette figure (viste in sezione del dispositivo 1) sono visibili solo due lati dell’almeno un’ulteriore sfaccettatura 7, disposti rispettivamente alla destra ed alla sinistra.

In accordo ad un’ulteriore forma di realizzazione, non illustrata nelle figure, il dispositivo 1 può comprendere una ulteriore pluralità di sfaccettature, del tutto analoghe a detta almeno un’ulteriore sfaccettatura 7, ciascuna estendentesi lungo un lato di un perimetro definito dall’ulteriore porzione 8 del dispositivo 1. La pluralità di sfaccettature comprende sfaccettature fra loro separate, ovvero prive di raccordo in corrispondenza degli angoli del perimetro definito dall’ulteriore porzione 8 del dispositivo 1.

Con riferimento particolare alla forma di realizzazione della figura 4, si fa presente che l’almeno una sfaccettatura 5 e l’almeno un’ulteriore sfaccettatura 7, lungo un piano di sezione del dispositivo 1, sono fra loro raccordate in un punto. In altre parole, il dispositivo 1 ha, nel suo complesso, una sezione di profilo ad esagono.

Con riferimento invece alle forme di realizzazione delle figure 5 e 6, si fa presente che l’almeno una sfaccettatura 5 e l’almeno un’ulteriore sfaccettatura 7, lungo un piano di sezione del dispositivo 1, sono fra loro raccordate mediante un piano di raccordo 9. In altre parole, il dispositivo 1 ha, nel suo complesso, una sezione di profilo ad ottagono.

In accordo ad ulteriori forme di realizzazione (non illustrate), il dispositivo 1 può comprendere ulteriori sfaccettature disposte in ulteriori porzioni del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4, ulteriori porzioni disposte tra la porzione 6 e l’ulteriore porzione 8, definite in precedenza. La sfaccettature fra loro adiacenti possono essere raccordate in un punto o mediante un piano di raccordo.

In tali forme di realizzazione, il dispositivo 1 avrà, nel suo complesso, una sezione con porzioni laterali di profilo ad esempio a dente di sega o qualsiasi altra combinazione di sfaccettature raccordate a dente di sega o raccordate con piani di raccordo.

A livello di fabbricazione, si osservi che l’almeno una scanalatura 5 e l’almeno una ulteriore scanalatura 8 (e tutte le altre sfaccettature di cui può essere munito il dispositivo 1), secondo le diverse forme di realizzazione finora descritte, possono essere ottenute tramite diverse metodologie di incisione direzionale del substrato 2, ad esempio mediante taglio chimico o taglio laser, impiegati autonomamente o in combinazione con un taglio mediante sega. Tali metodologie di incisione sono di per sé note al tecnico del settore.

Facendo ancora riferimento alle forme di realizzazione delle figure 4, 5, 6 e 7, si osservi che la posizione dell’almeno un sensore 4 in corrispondenza della regione sostanzialmente planare 3, rispetto alla porzione 6 (o all’ulteriore porzione 8) del dispositivo 1 condiziona la sensibilità (sensitività) dell’almeno un sensore 4 agli sforzi laterali, ovvero le forze agenti lungo direzioni differenti dalla direzione predeterminata D1 (direzione di rilevazione).

In maggior dettaglio, facendo riferimento ancora alla figura 1A, si noti che una forte riduzione dell’effetto piezoresistivo si ha per un angolo pari a circa 20°-25° indicato nella figura con il riferimento β.

Pertanto, note le dimensioni del dispositivo elettronico integrato 1, dell’almeno un sensore 4, dell’angolo β di riduzione desiderato dell’effetto piezoresistivo, della direzione della forza laterale, à ̈ possibile ricavare la posizione dell’almeno un sensore 4 rispetto alla porzione 6 (ulteriore porzione 8) del dispositivo 1.

In particolare, con riferimento alla forma di realizzazione della figura 5, se si ipotizza che l’almeno un sensore 4 sia posizionato ad una distanza D, lungo la regione sostanzialmente planare 3 del dispositivo 1, rispetto ad un bordo più esterno 10 (periferico) dell’almeno una sfaccettatura 5 sostanzialmente planare, si ricava agevolmente mediante calcoli trigonometrici la seguente relazione approssimata:

L = D tan (β)

dove “tan†indica l’operazione di tangente, β (angolo a cui la sensitività à ̈ ridotta al valore desiderato), ad esempio compreso tra 20° e 25°, ed L à ̈ la distanza, lungo la direzione predeterminata D1, tra il bordo più esterno 10 ed il bordo più interno 11 dell’almeno una sfaccettatura 5.

In altri termini, l’almeno una sfaccettatura 5 presenta, lungo la direzione predeterminata D1, una distanza tra i rispettivi bordi pari a L. La distanza L e la distanza D dell’almeno un sensore 4 dal bordo più esterno 10 dell’almeno una sfaccettatura 5 sono definiti in modo che le linee congiungenti i bordi dell’almeno una sfaccettatura 5 con l’almeno un sensore 4 formino un angolo almeno pari ad un angolo di minima sensitività β dell’almeno un sensore 4 o almeno pari ad un angolo β tale da ridurre la sensitività al valore desiderato.

In accordo alla forma di realizzazione della figura 6, il dispositivo 1 può comprendere un ulteriore sensore, indicato con il riferimento numerico 4’, del tutto analogo a detto almeno un sensore 4 descritto in precedenza. In una ulteriore forma di realizzazione, l’almeno un sensore 4 e l’ulteriore sensore 4’ possono essere le parti in cui può essere scomposto un sensore del tutto analogo a detto almeno un sensore 4.

Ritornando alla figura 6, l’almeno un sensore 4 e l’ulteriore sensore 4’ sono disposti, rispetto alla regione sostanzialmente planare 3, sostanzialmente alla stessa distanza dal centro del dispositivo 1, ciascuno in prossimità di un bordo periferico del dispositivo 1.

La possibilità di posizionare l’almeno un sensore 4 consente ovviamente di poter aumentare l’angolo β definito in precedenza, riducendo ulteriormente la sensibilità dell’almeno un sensore 4 (e dell’ulteriore sensore 4’) all’effetto di forze agenti lungo direzioni differenti dalla direzione predeterminata D1, direzione di rilevazione. Inoltre, la distribuzione di più sensori nel dispositivo 1 consentono comunque di rilevare con esattezza le forze agenti lungo la direzione predeterminata D1 sostanzialmente su tutta la regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2.

Con riferimento alla forma di realizzazione mostrata nella figura 7, il dispositivo 1 comprende un substrato 2 di materiale semiconduttore avente una regione sostanzialmente planare 3 atta a definire un piano P1 sostanzialmente perpendicolare a detta direzione predeterminata.

Inoltre, il dispositivo 1 comprende almeno un sensore 4, del tutto analogo a quello descritto in precedenza con riferimento ad altre forme di realizzazione, configurato per rilevare detto parametro locale almeno lungo detta direzione predeterminata D1 mediante effetto piezoresistivo.

L’almeno un sensore 4 à ̈ disposto in corrispondenza della regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2.

Il dispositivo 1 comprende almeno una sfaccettatura 5 sostanzialmente planare disposta in una porzione 6 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4.

L’almeno una sfaccettatura 5 appartiene ad un piano P2 inclinato di un predeterminato angolo γ’ rispetto al piano P1 perpendicolare a detta direzione predeterminata D1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2.

Tale predeterminato angolo γ’ à ̈ definito in modo tale da ridurre sull’almeno un sensore (4) l’effetto di forze F1 agenti lungo direzioni diverse da detta direzione predeterminata D1 in corrispondenza della porzione 6 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4.

In maggior dettaglio, la porzione 6 del dispositivo 1 Ã ̈ preferibilmente nel substrato 2.

Il dispositivo 1 comprende inoltre una circuiteria funzionale 12, di cui una sua porzione rappresenta l’almeno un sensore 4.

La circuiteria funzionale 12 Ã ̈ disposta nel substrato 2 a partire dalla regione sostanzialmente planare 3.

Si fa presente che tale circuiteria planare sarà descritta con maggior dettaglio più avanti con riferimento generale alle diverse forme di realizzazione del dispositivo 1 finora descritte.

Con riferimento ancora alla forma di realizzazione della figura 7, il dispositivo 1 comprende inoltre un ulteriore substrato 2’ di materiale semiconduttore disposto sulla circuiteria funzionale 12.

L’ulteriore substrato 2’ può essere dello stesso materiale semiconduttore (ad esempio, silicio) del substrato 2 oppure, in altre forma di realizzazione, può essere di un materiale semiconduttore avente simili caratteristiche meccaniche. Inoltre, in ulteriori forme di realizzazione, il materiale semiconduttore del substrato 2 e dell’ulteriore substrato 2’ possono avere differente resistività elettrica, in particolare il materiale semiconduttore dell’ulteriore il substrato 2’ può avere alta resistività elettrica (ad esempio superiore a 10Ωcm) per ridurre il fenomeno delle correnti elettriche parassite di “eddy†(“eddy current†) dovute alla presenza, nella circuiteria funzionale 12, di un’antenna integrata, che sarà descritta in seguito.

Il dispositivo 1 comprende inoltre almeno un’ulteriore sfaccettatura 5’ sostanzialmente planare disposta in una porzione 6’ del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4.

Si fa presente che tale porzione 6’ del dispositivo 1 à ̈ preferibilmente nell’ulteriore substrato 2’.

L’almeno un’ulteriore sfaccettatura 5’ appartiene ad un piano P2’ inclinato di un predeterminato angolo γ†rispetto al piano P1 perpendicolare a detta direzione predeterminata D1 definito dalla regione sostanzialmente planare 3 del substrato 2.

Tale predeterminato angolo γ†à ̈ definito in modo tale da ridurre sull’almeno un sensore 4 l’effetto di forze F1 agenti lungo direzioni diverse da detta direzione predeterminata D1 in corrispondenza della porzione 6’ dell’ulteriore substrato 2 del dispositivo 1 intorno all’almeno un sensore 4.

L’almeno una ulteriore sfaccettatura presente sull’ulteriore substrato 2’ riduce ulteriormente la sensibilità dell’almeno un sensore 4 all’effetto di forze agenti lungo direzioni differenti dalla direzione predeterminata D1, ovvero la direzione di rilevazione.

Si noti che il substrato 2 e l’ulteriore substrato 2’ possono altresì essere fissati fra loro, ad esempio usando colle o resine, anche in base a quanto descritto in seguito in riferimento alle forme di realizzazione delle figure 8 e 9.

Inoltre, si fa presente che in accordo ad ulteriori forme di realizzazione non illustrate, il dispositivo 1 può comprendere solo l’almeno una sfaccettatura 5 o solo l’almeno una ulteriore sfaccettatura 5’. La sola almeno una sfaccettatura 5 o la sola almeno un’ulteriore sfaccettatura 5’ può rappresentare l’intera superficie laterale del dispositivo 1, e quindi può essere presente rispettivamente la sola porzione 6 del substrato 2 o la sola porzione 6’ dell’ulteriore substrato 2’.

Si fa presente inoltre che l’almeno una ulteriore sfaccettatura 5’ può essere distribuita sull’ulteriore porzione 6’ sull’ulteriore substrato 2’ secondo diverse forme di realizzazione già descritte in precedenza con riferimento alla possibile distribuzione dell’almeno una sfaccettatura 5 sulla porzione 6 del substrato 2.

Ritornando in generale alle forme di realizzazione finora descritte, il dispositivo 1 comprende inoltre una circuiteria funzionale 12, di cui una sua porzione rappresenta l’almeno un sensore 4.

La circuiteria funzionale 12 à ̈ disposta nel substrato 2 a partire dalla regione sostanzialmente planare 3, ed à ̈ provvista di linee di collegamento, comprese nel materiale dielettrico o isolante, rappresentate da diversi livelli di metallizzazione connessi da vie conduttive, usando tecniche microelettroniche di per sé note.

Ai fini della presente descrizione, con la terminologia “circuiteria funzionale integrata†si intende indicare la porzione del dispositivo elettronico integrato 1 atta ad implementare i blocchi funzionali compresi nel dispositivo stesso, quali ad esempio quelli illustrati nel diagramma funzionale riportato in figura 10, che saranno descritti nel seguito.

In accordo ad ulteriori forme di realizzazione (figure 8 e 9), il dispositivo 1 comprende inoltre almeno un elemento di ammortizzazione 13 disposto a rivestimento del substrato 2 e della circuiteria funzionale integrata 12.

L’almeno un elemento di ammortizzazione 13, in materiale flessibile o elastico, à ̈ configurato per ammortizzare forze (ad esempio indicate con F1) agenti lungo direzioni sostanzialmente perpendicolari alla direzione predeterminata D1 rispetto a cui si vuole effettuare la rilevazione.

La proprietà di tale materiale à ̈ quella di assorbire, o ammortizzare, o attenuare le forze agenti su di esso, da cui la definizione generale di materiale “elastico†o “flessibile / elastico†.

In particolare, à ̈ necessario che tale materiale sia più elastico del materiale edilizio (ad esempio cemento armato o pietra) della struttura solida da monitorare, e, vantaggiosamente, anche più elastico del semiconduttore (ad esempio, silicio) di cui sono composti l’almeno un sensore 4 ed il substrato 2 del dispositivo 1.

Grazie a ciò, tale materiale (e l’elemento di ammortizzazione di cui à ̈ composto) può far fronte a deformazioni di lungo termine della struttura solida da monitorare.

Esempi di materiale flessibile o elastico idoneo alla funzione di ammortizzazione sono: poliesteri, PVC, silicone, teflon, Kapton, Polyimide, PEN, PET, resine epossidiche, elastomeri, gomma.

Pertanto, l’almeno un elemento di ammortizzazione 13 concorre insieme all’almeno una sfaccettatura 5, come definita in precedenza, a ridurre, se non addirittura eliminare, le forze agenti in direzioni differenti dalla direzione predeterminata D1 (direzione di rilevazione dell’almeno un sensore 4).

Si fa presente che l’elemento di ammortizzazione 13 à ̈ applicabile anche alla forma di realizzazione di figura 7.

Con riferimento ora alla figura 10, viene ora descritto, da un punto di vista funzionale, il dispositivo elettronico integrato 1, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione.

Come detto anche in precedenza, il dispositivo 1 comprende una circuiteria funzionale integrata 12. La circuiteria funzionale integrata 12 comprende l’almeno un sensore 4, descritto in precedenza.

La circuiteria funzionale integrata 12 comprende inoltre una antenna integrata 14.

L’antenna integrata 14 svolge la funzione di trasmettere all’esterno del dispositivo 1, in modalità wireless (cioà ̈ “senza fili†), i dati misurati, cioà ̈ l’intensità di ciascuna delle variabili elettriche dipendenti e rappresentative, rispettivamente, di una delle grandezze fisiche (forza e/o pressione e/o sforzo meccanico) da rivelare e monitorare.

L’antenna integrata 14 svolge inoltre la funzione di ricevere dall’esterno comandi operativi.

Ancora, l’antenna integrata 14 può svolgere la funzione di ricevere onde a radiofrequenza necessarie per un’alimentazione da remoto (cioà ̈ una “telealimentazione†) del dispositivo elettronico integrato 1, senza necessità di batterie o alimentatori in loco.

La circuiteria funzionale integrata 12 comprende, come blocchi ausiliari, un circuito di alimentazione 15, un circuito di pilotaggio 16 ed un circuito di controllo 17.

Il circuito di alimentazione 15 à ̈ atto a ricavare l’alimentazione elettrica necessaria al funzionamento del dispositivo 1 a partire da onde a radiofrequenza ricevute dall’antenna integrata 14.

Il circuito di pilotaggio 16 à ̈ atto a pilotare l’antenna integrata 14 in modo che essa trasmetta in modalità wireless i dati misurati.

Il circuito di controllo 17 à ̈ atto a controllare il funzionamento della circuiteria funzionale integrata 12 del dispositivo 1, secondo quanto ordinato da comandi operativi inviati dall’esterno e ricevuti dall’antenna integrata 14.

Il circuito di alimentazione 15, il circuito di pilotaggio 16 ed il circuito di controllo 17 possono essere realizzati mediante circuiti di per sé noti, nell’ambito di tecnologie di fabbricazione delle “Smart Card†o della tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification).

In accordo con una forma realizzativa, il dispositivo di rilevazione 1 comprende ulteriormente uno strato passivante (non mostrato nelle figure), ovvero uno strato impermeabile e protettivo, atto a rivestire completamente la circuiteria funzionale integrata 12, pertanto detto almeno un sensore 4, o preferibilmente l’intero chip con cui à ̈ realizzato il dispositivo 1, in modo tale che il dispositivo 1, nel suo complesso, sia interamente sigillato in modo ermetico ed isolato galvanicamente dall’ambiente circostante.

Secondo forme di realizzazione, lo strato passivante può essere realizzato in ossido di silicio, o nitruro di silicio, o carburo di silicio. In una particolare forma di realizzazione, lo strato passivante, o meglio il dispositivo 1, à ̈ circondato da materiale edilizio, avente opportune proprietà di micro-granularità ed omogeneità, e compatibile con il materiale che forma la struttura solida da monitorare.

Con riferimento alla figura 11, viene ora descritto un modulo di rilevazione e monitoraggio 100, in seguito anche semplicemente modulo, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione.

Il modulo 100 comprende un dispositivo elettronico integrato di rilevazione 1, secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione precedentemente descritte, e comprende inoltre mezzi elettromagnetici 20 per la trasmissione/ricezione di segnali per telecomunicazioni e scambio di energia tra l’antenna integrata 14 del dispositivo 1 ed un’antenna remota 221. I mezzi elettromagnetici 20 sono solidali al dispositivo 1. L’antenna integrata 14, i mezzi elettromagnetici 20 e l’antenna remota 221 sono operativamente collegati attraverso accoppiamento magnetico o elettromagnetico in modalità wireless.

I mezzi elettromagnetici 20 rispondono alla necessità di permettere una comunicazione tra il dispositivo 1 ed un sistema esterno di controllo e raccolta dati, situato in remoto, ad esempio a distanze di alcuni centimetri o alcuni metri dalla struttura da monitorare e dunque dal dispositivo 1. Ciò implica la necessità di trasmettere energia elettromagnetica in campo vicino o lontano, tenendo conto anche delle attenuazioni dovute alla struttura solida, che i campi elettromagnetici devono attraversare.

A tal proposito, i mezzi elettromagnetici 20 svolgono una funzione di espansione e concentrazione elettromagnetica, cioà ̈ sia di concentrare un campo elettromagnetico esterno, e la relativa energia, sull’antenna integrata 14 del dispositivo 1 sia di espandere un campo elettromagnetico emesso dall’antenna integrata 14, e la relativa energia, verso un’antenna remota.

In particolare, i mezzi elettromagnetici 20 comprendono almeno due antenne, una prima antenna 21 ed una seconda antenna 22, collegate tra loro mediante mezzi di connessione 23. Tali mezzi di connessione 23 possono essere, ad esempio una semplice linea di trasmissione o un altro circuito.

La prima antenna 21 comunica con l’antenna integrata 14 del modulo integrato di rivelazione 100, mediante campi elettromagnetici, e preferibilmente mediante accoppiamento di campo magnetico (cioà ̈ accoppiamento magnetico in campo vicino).

La seconda antenna 22 comunica con un’antenna remota 221, ad esempio del sistema esterno di controllo e raccolta dati, preferibilmente mediante accoppiamento di campi elettromagnetici (cioà ̈ accoppiamento elettromagnetico in campo lontano).

Si noti che sia la prima antenna 21 sia la seconda antenna 22 possono essere un dipolo magnetico o un dipolo hertziano o anche altro tipo di antenna nota, purché in grado di svolgere le funzioni sopra descritte.

Con riferimento ora alla figura 12, viene ora descritto, da un punto di vista strutturale, il modulo di rilevazione e monitoraggio 100 in accordo alla forma di realizzazione della figura 11.

In maggior dettaglio, la prima antenna 21 dei mezzi elettromagnetici 20 comprende una spira 21. I mezzi di connessione 23 dei mezzi elettromagnetici 20 comprendono un circuito di adattamento 23, di per sé noto. La seconda antenna 22 dei mezzi elettromagnetici 2 comprende un’antenna a dipolo hertziano 22.

La spira 21 à ̈ posta vicino al dispositivo 1 e si sviluppa intorno ad esso, in un modo tale da accoppiarsi magneticamente con l’antenna integrata 11. Le correnti indotte dall’antenna integrata 11 sulla spira 21, che funge da dipolo magnetico, vengono trasferite alla antenna a dipolo hertziano 22. Tale trasferimento à ̈ preferibilmente mediato dal circuito di adattamento 23, che consente di migliorare le prestazioni complessive dei mezzi elettromagnetici 20.

Il modulo 100 comprende inoltre un supporto 30, ad esempio di materiale polimerico, su cui sono posizionati, ad esempio mediante incollatura, il dispositivo 1 ed i mezzi elettromagnetici 2.

Il supporto 30 svolge principalmente le funzioni di mantenere solidali tra loro il modulo 100 ed i mezzi elettromagnetici 20, ed inoltre di mantenere il modulo 100 in una prefissata posizione all’interno della struttura da monitorare, come verrà illustrato in seguito.

Secondo una forma di realizzazione alternativa, illustrata nella figura 13, à ̈ prevista una striscia di supporto di materiale polimerico, indicata sempre con il riferimento numerico 30, tale da poter essere fissata ad una struttura di sostegno 211, ed atta ad alloggiare, a distanze ed in posizioni predefinite, una pluralità di moduli 100, del tutto analoghi al modulo 100 descritto in precedenza.

Con riferimento alla figura 13, si noti che entrambi i moduli 100 comprendono un rispettivo dispositivo di rilevazione 1, ciascuno dei quali comprende un rispettivo sensore, in cui uno dei due sensori à ̈ configurato per rilevare la componente della forza agente lungo la direzione predeterminata D1 e l’altro dei due sensori à ̈ configurato per rilevare la componente della forza agente in un piano perpendicolare alla direzione predeterminata D1 o comunque agente lungo una direzione differente dalla direzione predeterminata D1.

Con riferimento alla figura 14, viene ora descritto un sistema di monitoraggio 200 di uno o più parametri in una pluralità di punti all’interno di una struttura solida 300.

Il sistema 200 comprende un sottosistema di monitoraggio interno 210 posto all’interno della struttura solida 300.

Il sistema 200 comprende inoltre un sottosistema esterno di controllo e raccolta dati 220 posto all’esterno e remotamente rispetto alla struttura solida 300.

Il sottosistema di monitoraggio interno 210 comprende una struttura di sostegno 211 passante per i punti da monitorare all’interno della struttura solida 300, e comprende inoltre una pluralità di moduli di monitoraggio 100, secondo una delle forme di realizzazione precedentemente descritte. Ciascuno di tale pluralità di moduli di monitoraggio 100 à ̈ fissato alla struttura di sostegno 211 in una posizione nota e predefinita.

Il sottosistema esterno di controllo e raccolta dati 220 comprende un’antenna esterna 221, in grado di comunicare elettromagneticamente con i mezzi elettromagnetici 20 dei moduli di monitoraggio 100; comprende inoltre mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati 222, atti a ricevere, memorizzare ed elaborare dati provenienti da una pluralità di moduli di monitoraggio 100 rappresentativi di parametri da monitorare; e comprende infine mezzi di alimentazione e telealimentazione 223, atti a fornire energia di alimentazione al sottosistema esterno di controllo e raccolta dati 220 ed energia di telealimentazione al sottosistema interno di monitoraggio 210, tramite l’antenna esterna 221.

Nell’esempio della figura 14, la struttura da monitorare à ̈ un pilastro di cemento armato 300, comprendente tondini di rinforzo in acciaio 301, che possono anche essere usati da struttura di sostegno 211.

Come si può constatare, lo scopo della presente invenzione à ̈ pienamente raggiunto in quanto il dispositivo di rilevazione della presente invenzione permette di rilevare con precisione ogni singola componente della forza e/o pressione e/o sforzo meccanico presente in un punto da monitorare all’interno di una struttura solida.

Orientando il sensore in modo da allineare l’asse di sensitività piezoresistiva alla direzione predeterminata lungo la quale si vuole rilevare la forza, si ottiene un risultato preciso che misura esattamente la componente desiderata, mentre risultano sostanzialmente ridotti ed al limite annullati (grazie alla conformazione geometrica del dispositivo, in particolare la presenza di almeno una sfaccettatura sostanzialmente planare disposta come indicato in precedenza) gli effetti delle componenti agenti su un piano perpendicolare a tale direzione predeterminata. La direzione predeterminata può essere qualsivoglia, in particolare una direzione verticale ed una qualsivoglia direzione differente (anche orizzontale) rispetto a quella verticale.

Inoltre, a livello di dispositivo o di modulo, à ̈ possibile predisporre più sensori, diversamente orientati, in modo rilevare tutte le diverse componenti della forza, ma, vantaggiosamente, separatamente l’una dall’altra.

Ulteriormente gli assi cristallini possono essere ruotati e le varie strutture e forme di realizzazione possono essere adattate in base a tale rotazione degli assi.

Alle forme di realizzazione del dispositivo di rilevazione, e del modulo e del sistema di monitoraggio sopra descritte, un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti anche congiuntamente all’arte nota, creando anche implementazioni ibride, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettronico integrato (1) per la rilevazione di un parametro locale correlato ad una forza (F2) avvertita lungo una direzione predeterminata (D1), all’interno di una struttura solida, comprendente: - un substrato (2) di materiale semiconduttore avente una regione sostanzialmente planare (3) atta a definire un piano (P1) sostanzialmente perpendicolare a detta direzione predeterminata (D1); - almeno un sensore (4) configurato per rilevare detto parametro locale almeno lungo detta direzione predeterminata (D1) mediante effetto piezoresistivo, detto almeno un sensore (4) essendo disposto in corrispondenza della regione sostanzialmente planare (3) del substrato (2); - almeno una sfaccettatura (5, 7, 5’) sostanzialmente planare disposta in una porzione (6, 8, 6’) del dispositivo elettronico integrato (1) intorno all’almeno un sensore (4), detta almeno una sfaccettatura (5, 7, 5’) appartenendo ad un piano (P2, P3, P2’) inclinato di un predeterminato angolo (γ, γ’, γ†) rispetto al piano (P1) perpendicolare a detta direzione predeterminata (D1) definito dalla regione sostanzialmente planare (3) del substrato detto predeterminato angolo (γ, γ’, γ†) essendo definito in modo tale da ridurre sull’almeno un sensore (4) l’effetto di forze (F1) agenti lungo direzioni diverse da detta direzione predeterminata (D1) in corrispondenza della porzione (6, 8) del dispositivo (1) intorno all’almeno un sensore (4).
2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detta almeno una sfaccettatura (5, 7, 5’) sostanzialmente planare à ̈ distribuita continuativamente lungo un perimetro definito dalla porzione (6, 8, 6’) del dispositivo (1) intorno all’almeno un sensore (4).
3. 3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una pluralità di sfaccettature (5, 7), ciascuna estendentesi lungo un lato di un perimetro definito dalla porzione (6, 8, 6’) del dispositivo (1) intorno all’almeno un sensore (4), detta pluralità di sfaccettature (5, 7) comprendendo sfaccettature fra loro separate.
4. 4. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti, comprendente inoltre almeno un’ulteriore sfaccettatura (7) sostanzialmente planare disposta in un’ulteriore porzione (8) del dispositivo elettronico integrato (1) intorno all’almeno un sensore (4), opposta alla porzione (6), detta almeno un’ulteriore sfaccettatura (7) appartenendo ad un piano (P3) inclinato di un ulteriore predeterminato angolo (γ’) rispetto al piano (P1) perpendicolare a detta direzione predeterminata (D1) definito dalla regione sostanzialmente planare (3) del substrato (2), l’ulteriore predeterminato angolo (γ’) essendo definito in modo tale da ridurre forze (F1) agenti lungo direzioni diverse dalla direzione predeterminata (D1) in corrispondenza dell’ulteriore porzione (8) del dispositivo (1).
5. 5. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detta almeno un’ulteriore sfaccettatura (7) sostanzialmente planare disposta nell’ulteriore porzione (8) del dispositivo (1) à ̈ distribuita continuativamente lungo un perimetro definito dalla porzione (8) del dispositivo (1).
6. 6. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, comprendente inoltre un’ulteriore pluralità di sfaccettature (7), ciascuna estendentesi lungo un lato di un perimetro definito dall’ulteriore porzione (8) del dispositivo (1), detta pluralità di sfaccettature (7) comprendendo sfaccettature fra loro separate.
7. 7. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui l’almeno una sfaccettatura (5) e l’almeno un’ulteriore sfaccettatura (7), lungo un piano di sezione del dispositivo (1), sono fra loro raccordate in un punto.
8. 8. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui l’almeno una sfaccettatura (5) e l’almeno un’ulteriore sfaccettatura (7), lungo un piano di sezione del dispositivo (1), sono fra loro raccordate mediante un piano di raccordo (9).
9. 9. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un ulteriore sensore (4’) configurato per rilevare detto parametro locale almeno lungo detta direzione predeterminata (D1) mediante effetto piezoresistivo, detto almeno un sensore (4) essendo disposto in corrispondenza della regione sostanzialmente planare (3) del substrato (2).
10. 10. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 9, in cui l’almeno un sensore (4) e l’ulteriore sensore (4’) sono disposti, rispetto alla regione sostanzialmente planare (3), sostanzialmente alla stessa distanza dal centro del dispositivo (1), ciascuno in prossimità di un bordo periferico del dispositivo (1).
11. 11. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: - una circuiteria funzionale integrata (12) disposta nel substrato (2) a partire dalla regione sostanzialmente planare (3), una porzione di detta circuiteria funzionale integrata (12) rappresentando detto almeno un sensore (4).
12. 12. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 11, in cui la porzione (6) del dispositivo (1) à ̈ nel substrato (2), il dispositivo comprendendo inoltre: - un ulteriore substrato (2’) di materiale semiconduttore disposto sulla circuiteria funzionale (12), - almeno un’ulteriore sfaccettatura (5’) sostanzialmente planare disposta in una porzione (6’) del dispositivo (1) intorno all’almeno un sensore (4), detta porzione (6’) del dispositivo (1) essendo nell’ulteriore substrato (2’), detta almeno un’ulteriore sfaccettatura (5’) appartenendo ad un piano (P2’) inclinato di un predeterminato angolo (γ†) rispetto al piano (P1) perpendicolare a detta direzione predeterminata (D1) definito dalla regione sostanzialmente planare (3) del substrato (2), detto predeterminato angolo (γ†) essendo definito in modo tale da ridurre sull’almeno un sensore (4) l’effetto di forze (F1) agenti lungo direzioni diverse da detta direzione predeterminata (D1) in corrispondenza della porzione (6’) dell’ulteriore substrato (2’) del dispositivo (1) intorno all’almeno un sensore (4).
13. 13. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti 11 e 12, comprendente inoltre almeno un elemento di ammortizzazione (13) disposto a rivestimento del substrato (2) e della circuiteria funzionale integrata (12), detto almeno un elemento di ammortizzazione (13), in materiale flessibile o elastico, essendo configurato per ammortizzare forze agenti lungo direzioni sostanzialmente perpendicolari alla direzione predeterminata D1.
14. 14. Modulo di rilevazione e monitoraggio (100) comprendente: - un dispositivo elettronico integrato di rilevazione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-13; - mezzi elettromagnetici (20) per la trasmissione/ ricezione di segnali per telecomunicazioni e scambio di energia tra un’antenna integrata (14) del dispositivo (1) ed un’antenna remota (221), detti mezzi elettromagnetici (20) essendo solidali al modulo integrato di rivelazione (100); detta antenna integrata (14), i mezzi elettromagnetici (20) e l’antenna remota (221) essendo operativamente collegati attraverso accoppiamento magnetico o elettromagnetico in modalità wireless.
15. 15. Modulo (100) secondo la rivendicazione 14, comprendente almeno due dispositivi elettronici integrati di rilevazione (1), ciascuno dei quali comprendente un rispettivo sensore (4), in cui uno dei due sensori (4) à ̈ configurato per rilevare la componente della forza agente lungo la direzione predeterminata (D1) e l’altro dei due sensori à ̈ configurato per rilevare la componente della forza agente lungo una direzione differente dalla direzione predeterminata (D1).
16. 16. Sistema di monitoraggio (200) di uno o più parametri in una pluralità di punti all’interno di una struttura solida (300), comprendente: - un sottosistema di monitoraggio interno (210) posto all’interno della struttura solida (300); - un sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) posto all’esterno e remotamente rispetto alla struttura solida (300); il sottosistema di monitoraggio interno (210) comprendendo: - una struttura di sostegno (211) passante per i punti da monitorare all’interno della struttura solida (300), ed inoltre - una pluralità di moduli di monitoraggio (100) secondo una delle rivendicazioni 14 o 15, ciascuno di detta pluralità di moduli di monitoraggio (100) essendo fissato alla struttura di sostegno (211) in una posizione nota e predefinita; il sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) comprendendo: - un’antenna esterna (221), in grado di comunicare elettromagneticamente con i mezzi elettromagnetici (20) dei detti moduli di monitoraggio (100); - mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati (222), atti a ricevere, memorizzare ed elaborare dati provenienti da una pluralità di moduli di monitoraggio (100) rappresentativi di parametri da monitorare; e - mezzi di alimentazione e telealimentazione (223), atti a fornire energia di alimentazione al sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) ed energia di telealimentazione al sottosistema interno di monitoraggio (210), tramite l’antenna esterna (221).