ITTO20090489A1 - Circuito di lettura per un giroscopio mems multi-asse avente direzioni di rilevamento inclinate rispetto agli assi di riferimento, e corrispondente giroscopio mems multi-asse - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“CIRCUITO DI LETTURA PER UN GIROSCOPIO MEMS MULTI-ASSE AVENTE DIREZIONI DI RILEVAMENTO INCLINATE RISPETTO AGLI ASSI DI RIFERIMENTO, E CORRISPONDENTE GIROSCOPIO MEMS MULTI-ASSE”

La presente invenzione è relativa ad un circuito di lettura per un giroscopio MEMS multi-asse avente direzioni di rilevamento inclinate rispetto agli assi di riferimento, e ad un corrispondente giroscopio MEMS multi-asse.

Come noto, le tecniche di microfabbricazione consentono la realizzazione di strutture o sistemi microelettromeccanici (cosiddetti MEMS, dall’inglese Micro Electro Mechanical System) all’interno di strati di materiale semiconduttore, che sono stati depositati (ad esempio uno strato di silicio policristallino) o cresciuti (ad esempio uno strato epitassiale) al di sopra di strati sacrificali, che vengono rimossi tramite attacco chimico. Sensori inerziali, quali accelerometri e giroscopi, realizzati con tale tecnologia stanno avendo un crescente successo, ad esempio nel campo “automotive”, nella navigazione inerziale, o nel settore dei dispositivi portatili.

In particolare, sono noti giroscopi integrati di materiale semiconduttore realizzati con tecnologia MEMS. Tali giroscopi operano in base al teorema delle accelerazioni relative, sfruttando l’accelerazione di Coriolis. Quando viene applicata una velocità angolare ad una massa mobile che è azionata con una velocità lineare, la massa mobile “sente” una forza apparente, chiamata forza di Coriolis, che ne determina uno spostamento in direzione perpendicolare alla direzione della velocità lineare e all’asse intorno al quale viene applicata la velocità angolare. La massa mobile viene supportata tramite molle che ne consentono uno spostamento nella direzione della forza apparente. In base alla legge di Hooke, lo spostamento è proporzionale alla forza apparente, in modo tale che, dallo spostamento della massa mobile, è possibile rilevare la forza di Coriolis ed il valore della velocità angolare che l’ha generata. Lo spostamento della massa mobile può ad esempio essere rilevato in modo capacitivo, determinando, in condizione di risonanza, le variazioni di capacità (o, analogamente della quantità di carica) causate dal movimento di elettrodi mobili, solidali alla massa mobile (o costituiti dalla stessa massa mobile) e accoppiati ad elettrodi fissi.

I giroscopi MEMS presentano generalmente strutture di rilevamento simmetriche, comprendenti una coppia di masse di rilevamento per ciascun asse di riferimento intorno al quale viene rilevata una corrispondente velocità angolare, allineate tra loro lungo una direzione di rilevamento (coincidente generalmente con un relativo asse di riferimento); il circuito di lettura adotta quindi generalmente uno schema differenziale basato sulle variazioni capacitive differenziali associate alle masse di rilevamento di ciascuna coppia. Infatti, mentre la forza di Coriolis tende a sbilanciare in versi opposti e sostanzialmente di una stessa quantità le masse di rilevamento di ciascuna coppia (generando movimenti cosiddetti “in controfase”), accelerazioni esterne di rumore ne determinano spostamenti nello stesso verso e nuovamente della stessa quantità (generando movimenti cosiddetti “in fase”); eseguendo la differenza dei segnali elettrici associati alle due masse di rilevamento di ciascuna coppia è dunque possibile idealmente isolare e misurare il solo contributo dovuto alla forza di Coriolis e reiettare completamente i contributi di rumore.

Ad esempio, un giroscopio capacitivo MEMS biassiale rileva una prima velocità angolare diretta lungo un asse di riferimento di beccheggio (pitch), indicato nel seguito con x, ed una seconda velocità angolare diretta lungo un asse di riferimento di rollio (roll), indicato in seguito con y. Applicando il teorema di Coriolis, si ottengono le seguenti espressioni:

in cui Mcè il momento della forza di Coriolis che agisce sulle masse di rilevamento (che, come si descriverà più in dettaglio in seguito, eseguono un movimento di rilevamento di rotazione fuori dal piano del sensore), J è il momento di inerzia delle stesse masse di rilevamento, Ωxe Ωysono le velocità angolari incognite di beccheggio e di rollio agenti intorno ai rispettivi assi di riferimento, e ωzè la velocità angolare di azionamento, diretta lungo un asse verticale z (ortogonale al piano del sensore) e variabile di controllo di un anello di azionamento elettromeccanico di cui la struttura MEMS del sensore è parte integrante (agendo inoltre come un fattore di scala costante nelle suddette espressioni). In particolare, tale anello di azionamento è costituito da un circuito integrato dedicato a generare e mantenere un movimento di oscillazione di una massa di azionamento, a cui le masse di rilevamento sono accoppiate meccanicamente, con velocità angolare di azionamento ωzed alla frequenza di risonanza.

Il circuito di lettura del giroscopio, come descritto ad esempio nelle domande di brevetto EP-A-1 962 054 e EP-A-1 624 286 a nome della stessa richiedente, è configurato in modo da leggere, attraverso la variazione capacitiva differenziale associata alle masse di rilevamento di beccheggio o rollio, un segnale proporzionale al prodotto vettoriale Ωx∧ωz, nel caso di beccheggio, o Ωy∧ωz, nel caso di rollio, tale segnale essendo di tipo DSB-SC (Dual Side Band - Suppressed Carrier), ovvero modulato in ampiezza con portante data dalla velocità angolare di azionamento ωz, visto l’azionamento della struttura alla frequenza di risonanza. Successivamente, per mezzo di una demodulazione coerente, il segnale viene prima riportato in banda base e quindi opportunamente filtrato, ottenendo in uscita un segnale elettrico (in particolare un segnale di tensione) proporzionale alla sola grandezza incognita, vale a dire la velocità angolare di beccheggio Ωxo di rollio Ωy.

In maggiore dettaglio, e come mostrato in figura 1, il circuito di lettura, qui indicato con 1, presenta due catene di trasduzione distinte, una prima catena di trasduzione, indicata con 1a, per il rilevamento della velocità angolare di beccheggio Ωxed una seconda catena di trasduzione, indicata con 1b, per il rilevamento della velocità angolare di rollio Ωy. In figura 1 sono inoltre indicati il contatto degli elettrodi mobili (o di rotore) Rot, in comune tra tutte le masse di rilevamento, i contatti degli elettrodi fissi (o di statore) P1, P2associati alla coppia di masse di rilevamento di beccheggio, e degli elettrodi fissi R1, R2associati alla coppia di masse di rilevamento di rollio (nonché le relative coppie di condensatori, aventi capacità variabile in modo differenziale); in particolare, in figura 1 si mostra il caso in cui ad ogni massa di rilevamento sia associato un singolo elettrodo fisso. Inoltre, agli elettrodi mobili Rot viene applicato un segnale di eccitazione, ad esempio un gradino di tensione ΔVs, durante le operazioni di lettura.

Ciascuna catena di trasduzione 1a, 1b, di tipo completamente differenziale (“fully differential”) e realizzata con la tecnologia a capacità commutate (SC -Switched Capacitor), comprende:

- un amplificatore di carica 2, ovvero un convertitore carica/tensione progettato in modo da minimizzare i contributi di rumore, ed atto a convertire la variazione capacitiva differenziale ricevuta in ingresso (dovuta allo spostamento degli elettrodi mobili rispetto agli elettrodi fissi) in un segnale di variazione di tensione di tipo “fully differential”, tale segnale essendo un segnale di tipo DSB-SC, a causa dell’azionamento alla frequenza di risonanza della massa di azionamento; l’amplificatore di carica 2 presenta a tal fine un ingresso positivo ed un ingresso negativo collegati ad un rispettivo elettrodo fisso P1, P2delle masse di rilevamento;

- un demodulatore (o mixer) 4, collegato in cascata all’amplificatore di carica 2 e formante con esso una catena di misura per segnali di tipo DSB-SC della catena di trasduzione, atta a realizzare la demodulazione coerente dei segnali modulati in ampiezza di tipo DSB-SC; in particolare, mediante un segnale di clock CK in fase con la portante del segnale (la velocità angolare di azionamento ωz), precedentemente elaborato in modo da minimizzarne il ritardo di fase, si realizza una demodulazione coerente tale da portare il segnale di uscita, nuovamente di tipo fully differential, in banda base e reiettare le componenti spurie sovrapposte allo stesso segnale (ad ugual portante ma sfasate rispetto alla componente informativa di un angolo di 90°);

- uno stadio sample&hold 6 (di campionamento e mantenimento), collegato in cascata al demodulatore 4 e progettato con tecnica SC (Switched Capacitor), atto a trasformare il segnale demodulato fully differential in un segnale ad uscita singola, “single-ended”; ed

- uno stadio di filtro 8, collegato in cascata allo stadio sample&hold 6 formando una catena di misura per segnali in banda base della catena di trasduzione, atto ad implementare una funzione di trasferimento di un filtro del secondo ordine di tipo passa basso, in modo da reiettare tutte le componenti indesiderate che si trovano fuori dalla banda di interesse del segnale (tipicamente fino a 140 Hz), tra cui le note componenti che per via della demodulazione coerente si trovano alla frequenza di risonanza (cosiddetto offset residuo) e ad una frequenza pari al doppio della frequenza di risonanza, e fornire un segnale di uscita OUT analogico utile (di pitch o di roll) su un apposito elettrodo di uscita 9a, 9b; tale segnale di uscita contiene l’informazione desiderata della velocità angolare di beccheggio o rollio rilevata dal giroscopio capacitivo MEMS.

La presente richiedente ha constatato che il circuito di lettura precedentemente descritto non è tuttavia utilizzabile nel caso in cui il giroscopio multi-asse presenti direzioni di rilevamento non coincidenti con i suoi assi di riferimento, essendo ad esempio inclinate di un dato angolo rispetto a tali assi di riferimento.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un circuito di lettura in grado di operare nel caso in cui le direzioni di rilevamento del sensore siano inclinate rispetto ai relativi assi di riferimento (ad esempio gli assi di beccheggio e rollio).

Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un circuito di lettura per un giroscopio multi-asse ed un relativo giroscopio multi-asse, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 14.

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

- la figura 1 mostra un diagramma a blocchi schematico di un circuito di lettura di un giroscopio capacitivo MEMS multi-asse, di tipo noto;

- la figura 2 mostra una vista schematica dall’alto di una struttura microelettromeccanica di un giroscopio capacitivo MEMS multi-asse;

- la figura 3 mostra una raffigurazione schematica e semplificata di una porzione del giroscopio di figura 2;

- la figura 4 mostra un diagramma a blocchi schematico di un circuito di lettura di un giroscopio capacitivo MEMS multi-asse, secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 5 mostra più in dettaglio l’implementazione di uno stadio di combinazione nel circuito di figura 4;

- la figura 6 mostra un diagramma a blocchi schematico di un circuito di lettura di un giroscopio capacitivo MEMS multi-asse, in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente invenzione; e

- la figura 7 mostra un diagramma a blocchi di un giroscopio capacitivo MEMS, e di un relativo dispositivo elettronico, secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione.

La domanda di brevetto italiano TO2008A000876, depositata dalla titolare della presente domanda in data 26 novembre 2008 e non ancora pubblicata, descrive un giroscopio integrato microelettromeccanico sensibile a velocità angolari lungo tre assi di riferimento, di beccheggio (pitch), rollio (roll) ed imbardata (yaw), in cui le direzioni di rilevamento (le direzioni cioè lungo le quali le masse di rilevamento sono sensibili) sono inclinate rispetto agli assi di riferimento di un dato angolo (non nullo), in particolare di un angolo pari a 45°. Tale giroscopio risulta particolarmente vantaggioso in quanto consente di rendere maggiormente simmetrica la struttura MEMS e le relative connessioni elettriche, razionalizzare l’occupazione di area e massimizzare la sensibilità del rilevamento delle velocità angolari.

La figura 2 mostra un esempio di realizzazione di una struttura MEMS di un giroscopio multi-asse, indicata con 10, realizzata secondo gli insegnamenti contenuti nella suddetta domanda di brevetto italiano.

La struttura MEMS 10 è realizzata in un die (o piastrina) 12, comprendente un substrato 12a di materiale semiconduttore (ad esempio silicio), ed un frame (o cornice) 12b definente al suo interno una regione aperta 12c, sovrastante il substrato 12a, destinata ad ospitare le strutture di rilevamento del giroscopio multi-asse. La regione aperta 12c ha configurazione genericamente quadrata o rettangolare in un piano del sensore xy (sostanzialmente parallelo al piano del substrato 12a), definito da un primo e da un secondo asse orizzontale x, y solidali al die 12; la cornice 12b presenta lati sostanzialmente paralleli agli assi orizzontali x, y. Piazzole di contatto 12d (cosiddette “die pad”) sono disposte lungo almeno un lato della cornice 12b, allineate ad esempio lungo il primo asse orizzontale x; in modo non illustrato, le piazzole di contatto 12d permettono di contattare elettricamente dall’esterno le strutture di rilevamento del giroscopio multi-asse. Le piazzole di contatto 12d presentano inoltre un asse di simmetria, in questo caso coincidente con il secondo asse orizzontale y (ortogonale alla loro direzione di allineamento). In particolare, il primo ed il secondo asse orizzontale x, y corrispondono agli assi di riferimento di beccheggio e di rollio della struttura MEMS 10, attorno ai quali vengono rilevate le velocità angolari di beccheggio r r

Ωxe di rollio Ωy.

La struttura MEMS 10 comprende elementi di azionamento, alloggiati all’interno della regione aperta 12c ed includenti una massa di azionamento 13 ed un gruppo di azionamento 14.

La massa di azionamento 13 ha una configurazione sostanzialmente planare con estensione principale nel piano del sensore xy, e dimensione trascurabile, rispetto all’estensione principale, in una direzione parallela ad un asse verticale z, formante con il primo ed il secondo asse orizzontale x, y una terna di assi ortogonali (l’asse verticale z coincidendo inoltre con l’asse di riferimento di imbardata della struttura MEMS 10). La massa di azionamento 13 definisce centralmente uno spazio vuoto 16, il cui centro O coincide con il baricentro ed il centro di simmetria dell’intera struttura. La massa di azionamento 13 è inoltre ancorata al substrato per mezzo di un primo ancoraggio 17a, disposto all’interno dello spazio vuoto 16, a cui è collegata attraverso primi elementi elastici di ancoraggio 18a, e per mezzo di ulteriori ancoraggi 17b, disposti esternamente alla massa di azionamento 13 stessa, a cui è collegata mediante ulteriori elementi elastici di ancoraggio 18b. Gli elementi elastici di ancoraggio 18a, 18b consentono un movimento di oscillazione rotatorio della massa di azionamento 13 attorno ad un asse di azionamento passante per il centro O, parallelo all’asse verticale z e perpendicolare al piano del sensore xy, con velocità angolare di azionamento ωz.

La massa di azionamento 13 presenta inoltre: una prima coppia di aperture passanti 19a, 19c, allineate in direzione diametrale lungo una prima direzione di rilevamento x1, inclinata rispetto al primo asse orizzontale x del die 2 (coincidente con l’asse di riferimento di beccheggio) di un angolo di inclinazione Φ (considerato in senso antiorario), il cui valore è preferibilmente pari a 45°, e disposte da parti opposte rispetto allo spazio vuoto 16; ed una seconda coppia di aperture passanti 19b, 19d, allineate in direzione diametrale lungo una seconda direzione di rilevamento x2, sostanzialmente ortogonale alla prima direzione di rilevamento x1, ed inclinata rispetto al primo asse orizzontale x dello stesso angolo di inclinazione Φ (considerato in questo caso in senso opposto, orario), ed anch’esse disposte da parti opposte rispetto allo spazio vuoto 16. In particolare, ciascuna apertura passante 19a-19d presenta nel piano del sensore xy la forma di un settore di anello radiale, avente lati interni ed esterni arcuati e lati laterali estendentisi radialmente. La massa di azionamento 13 presenta inoltre una coppia di ulteriori aperture passanti 20, 20', aventi in pianta forma sostanzialmente rettangolare, ed allineate lungo il secondo asse orizzontale y (o, in alternativa ed in maniera non illustrata, lungo il primo asse orizzontale x), ed aventi estensione principale in direzione trasversale allo stesso asse orizzontale.

Il gruppo di azionamento 14 comprende una pluralità di gruppi di elettrodi di azionamento 21, estendentisi esternamente dalla massa di azionamento 13 in direzione radiale ed in maniera angolarmente equispaziata, costituiti da elettrodi in configurazione a pettine (cosiddetta configurazione “comb-fingered”). Opportuni segnali di polarizzazione elettrica provenienti da un circuito elettronico di azionamento (qui non illustrato), determinano, mediante l’attrazione reciproca ed alternata degli elettrodi, il movimento rotatorio oscillatorio della massa di azionamento 13 attorno all’asse verticale z di azionamento, ad una frequenza di oscillazione di risonanza ed alla velocità angolare di azionamento ωz.

La struttura MEMS 10 comprende inoltre una prima coppia di sensori di accelerazione con asse parallelo all’asse verticale z, ed in particolare una prima coppia di masse di rilevamento 22a, 22c, disposte all’interno di una rispettiva apertura passante 19a, 19c della prima coppia, in modo da essere completamente racchiuse e contenute dall’ingombro della massa di azionamento 3 nel piano del sensore xy. Ciascuna delle masse di rilevamento 22a, 22c presenta una forma corrispondente a quella della rispettiva apertura passante, e pertanto presenta, in pianta, la forma genericamente di un settore di anello radiale. Ciascuna delle masse di rilevamento 22a, 22c è inoltre supportata da una coppia di elementi elastici di supporto 24 estendentisi all’interno della rispettiva apertura passante in direzione trasversale alla prima direzione di rilevamento x1, in modo da essere sospesa al di sopra del substrato 12a. Gli elementi elastici di supporto 24 formano molle torsionali rigide per il moto rotatorio della massa di azionamento 13 (così che le masse di rilevamento 22a, 22c seguono la massa di azionamento 13 nel suo moto di azionamento), e consentono inoltre la rotazione della masse di rilevamento intorno ad un asse di rotazione parallelo alla direzione di estensione degli elementi elastici di supporto 24, e quindi il loro movimento fuori dal piano del sensore xy (movimento che non è invece consentito alla massa di azionamento 13).

In modo analogo, la struttura MEMS 10 comprende una seconda coppia di sensori di accelerazione con asse parallelo all’asse verticale z, ed in particolare una seconda coppia di masse di rilevamento 22b, 22d, alloggiate all’interno delle aperture passanti 19b, 19d della seconda coppia.

Le masse di rilevamento 22a-22d sono pertanto allineate lungo rispettive direzioni di rilevamento x1, x2, che risultano inclinate rispetto agli assi di riferimento di beccheggio e di rollio intorno ai quali agiscono le velocità angolari da rilevare, ed inoltre inclinate rispetto ai lati del die 12 (paralleli agli stessi assi di riferimento). In base al teorema di Coriolis, tali masse di rilevamento risultano quindi sensibili a velocità angolari agenti lungo le rispettive direzioni di rilevamento x1, x2.

Un rispettivo elettrodo fisso 25 è disposto al di sotto di ciascuna delle masse di rilevamento 22a-22d, ad esempio costituito da una regione di silicio policristallino formata al di sopra del substrato 12a. Gli elettrodi fissi 25 formano con la rispettiva massa di rilevamento condensatori di rilevamento, aventi capacità variabile in funzione dello spostamento della stessa massa di rilevamento dovuto alla forza di Coriolis (e dunque in funzione della velocità angolare da rilevare); in particolare, le stesse masse di rilevamento costituiscono gli elettrodi mobili di tali condensatori di rilevamento. Gli elettrodi fissi 25 sono collegati al circuito di lettura del giroscopio multi-asse (qui non illustrato) tramite le piazzole di collegamento 12d; inoltre (in modo non illustrato), le masse di rilevamento sono tra loro collegate elettricamente, e collegate ad un unico contatto elettrico, anch’esso accoppiato al suddetto circuito di lettura tramite le piazzole di collegamento 12d.

La struttura MEMS 10 comprende inoltre una coppia di ulteriori masse di rilevamento 28, 28' alloggiate all’interno delle ulteriori aperture passanti 20, 20', sospese rispetto al substrato 12a e collegate alla massa di azionamento 3 tramite rispettivi elementi elastici di supporto 29. In particolare, tali elementi elastici di supporto 29 sono rigidi rispetto al moto di azionamento della massa di azionamento 13 (in modo tale che le ulteriori masse di rilevamento 28, 28' seguono la massa di azionamento 13 nel suo movimento di oscillazione rotatorio), e consentono inoltre un movimento lineare delle rispettive masse di rilevamento, nel caso raffigurato lungo il secondo asse orizzontale y, in risposta alla forza di Coriolis. A ciascuna delle ulteriori masse di rilevamento 28, 28' sono accoppiati elettrodi mobili, che formano condensatori di rilevamento a facce piane e parallele con rispettivi elettrodi fissi 25, solidali alla massa di azionamento 13.

In uso, la struttura MEMS 10 è in grado di operare come giroscopio triassiale, e di rilevare la velocità angolare di beccheggio Ωxintorno al primo asse orizzontale x, la velocità angolare di rollio Ωyintorno al secondo asse orizzontale y, ed una velocità angolare di imbardata Ωz, agente attorno all’asse verticale z.

La velocità angolare di beccheggio Ωxo, analogamente, la velocità angolare di rollio Ωy(e più precisamente le relative componenti lungo la prima e seconda direzione di rilevamento x1, x2), generano una forza di Coriolis sulle masse di rilevamento 22a-22b diretta lungo l’asse verticale z, che ne determina la rotazione fuori dal piano del sensore xy. Al contrario, la configurazione degli elementi elastici di ancoraggio 18a, 18b è tale da inibire, in buona approssimazione, il movimento della massa di azionamento 13 fuori dal piano del sensore xy, consentendo in tal modo l’efficace discaccoppiamento del moto di rilevamento delle masse di rilevamento rispetto a quello di azionamento. Lo spostamento delle masse di rilevamento 22a-22d al di fuori del piano del sensore xy provoca una variazione capacitiva differenziale dei condensatori di rilevamento associati ad una stessa direzione di rilevamento, che può dunque essere determinata tramite un’opportuna interfaccia di lettura, operante secondo uno schema differenziale.

Inoltre, una velocità angolare di imbardata Ωz, agente intorno all’asse verticale z, genera una forza di Coriolis (indicata con F) sulle ulteriori masse di rilevamento 28, 28' diretta in direzione radiale (diretta quindi come una forza centripeta agente sulle stesse masse), causando un loro spostamento in controfase nella direzione radiale. Il valore della risultante variazione capacitiva dei relativi condensatori di rilevamento è proporzionale alla velocità angolare da rilevare, che può dunque essere determinata tramite l’interfaccia di lettura, operante nuovamente secondo uno schema differenziale.

La struttura MEMS 10 descritta presenta numerosi vantaggi. In particolare, la configurazione delle masse di rilevamento 22a-22d (inclinate rispetto agli assi di riferimento nel piano del sensore) consente di ottimizzare lo sfruttamento dell’area disponibile per il rilevamento, di incrementare la sensibilità del sensore e di migliorare l’uniformità delle caratteristiche elettriche e la robustezza del sistema ai disturbi, grazie alla possibilità di ottenere una sostanziale simmetria delle connessioni elettriche verso le piazzole di collegamento 12d.

Tuttavia, la presente richiedente ha constatato che la struttura descritta non consente l’utilizzo di un’interfaccia di lettura tradizionale (ad esempio del tipo descritto con riferimento alla figura 1), a causa del fatto che ciascuna delle masse di rilevamento 22a-22d risente sia della velocità angolare di beccheggio Ωxsia della velocità angolare di rollio Ωy, in quanto entrambe le velocità angolari determinano una componente di velocità non nulla lungo la prima e la seconda direzione di rilevamento x1, x2. Al contrario, il circuito di lettura 1 descritto con riferimento alla figura 1 presenta catene di trasduzione totalmente distinte per ciascuna coppia di masse di rilevamento e destinate al rilevamento di una rispettiva velocità angolare di beccheggio o rollio, in quanto presuppone che le masse di rilevamento 22a-22c di una prima coppia risentano soltanto della velocità angolare di beccheggio Ωx, e che allo stesso modo le masse di rilevamento 22b-22d della seconda coppia risentano soltanto della velocità angolare di rollio Ωy.

La presente richiedente ha dunque constato che, per poter sfruttare appieno i vantaggi che la struttura MEMS 10 precedentemente descritta consente di ottenere, è necessario realizzare un’apposita interfaccia di lettura in grado di discriminare, nella variazione capacitiva (o, in maniera analoga, nella variazione della quantità di carica) associata alle masse di rilevamento 22a-22d, il contributo dovuto alla velocità angolare di beccheggio Ωxda quello dovuto alla velocità angolare di rollio Ωy.

La figura 3 mostra una raffigurazione schematica e semplificata della struttura MEMS 10 del giroscopio capacitivo multi-asse precedentemente descritta in dettaglio, relativamente alle masse di rilevamento 22a-22d, qui mostrate semplicemente mediante i rispettivi elettrodi fissi, indicati con A, B, C e D, per il rilevamento delle velocità angolari di beccheggio Ωxe rollio Ωy, qui indicate semplicemente con i rispettivi vettori P e R agenti lungo i rispettivi assi di riferimento di beccheggio (primo asse orizzontale x) e rollio (secondo asse orizzontale y). Le masse di rilevamento 22a-22d sono allineate a coppie lungo le direzioni di rilevamento x1, x2, inclinate dell’angolo Φ (supposto pari a 45°) rispetto agli assi di riferimento di beccheggio e rollio. Si indicano inoltre con A, B, C e D i vettori di velocità angolare agenti sulle rispettive masse di rilevamento 22a-22d lungo le direzioni di rilevamento x1, x2, dati dalla somma vettoriale delle proiezioni delle velocità angolari di beccheggio e rollio P, R lungo tali direzioni di rilevamento x1, x2(in figura 3 tali proiezioni vengono indicate con PA, RAper la massa di rilevamento 22a; un’analoga notazione viene in seguito utilizzata anche per le altre masse di rilevamento).

Applicando semplici considerazioni geometriche, è possibile ottenere le seguenti relazioni:

2 2

Ne risulta che ciascuna massa di rilevamento 22a-22d genera, in seguito al suo movimento, una variazione capacitiva (che è proporzionale, come precedentemente indicato, alla velocità angolare da essa avvertita lungo la rispettiva direzione di rilevamento), in funzione sia della velocità angolare di beccheggio Ωxsia della velocità

angolare di rollio Ωy.

La presente richiedente ha constatato inoltre che

esistono particolari combinazioni dei contributi di

velocità angolare (e di conseguenza degli associati

contribuiti capacitivi) agenti sulle quattro masse di

rilevamento 22a-22d, tali da consentire di ricavare le

velocità angolari desiderate agenti lungo gli assi di

riferimento di beccheggio e di rollio. In particolare, è

possibile ottenere un contributo totale di velocità

angolare di rollio mediante la seguente prima espressione

di combinazione:

ed analogamente un contributo totale di velocità angolare

di beccheggio, mediante la seguente seconda espressione di

combinazione:

Le due espressioni di combinazione precedenti, oltre a

permettere di ricavare l’informazione utile per ciascun

asse di riferimento di interesse (assi di beccheggio e

rollio), forniscono il vantaggio di incrementare la

sensitività del giroscopio multi-asse, a parità dell’area

utilizzata per la struttura di rilevamento, di un fattore 2 (la sensitività essendo infatti pari a 2·R per l’asse di rollio e 2·P per l’asse di beccheggio, in strutture di tipo tradizionale).

Un aspetto della presente invenzione prevede quindi di implementare circuitalmente, con apposite modifiche all’interfaccia di lettura del giroscopio MEMS (nuovamente includente una catena di misura per segnali DSB-SC, seguita da una catena di misura per segnali in banda base), le suddette espressioni di combinazione, in particolare combinando opportunamente tra loro grandezze elettriche associate agli spostamenti di masse di rilevamento 22a-22d non riferite alla stessa direzione di rilevamento x1, x2(o, analogamente, riferite a direzioni di rilevamento differenti); in tal modo, risulta possibile ottenere in uscita, in seguito alle successive elaborazioni, segnali elettrici risultanti direttamente proporzionali alle sole velocità angolari di rollio o beccheggio, che devono essere rilevate. In particolare, tali grandezze elettriche possono essere vantaggiosamente combinate prima dell’elaborazione da parte delle catene di misura per segnali in banda base della catena di trasduzione nel circuito di lettura, in modo da ottenere segnali elettrici che possono in seguito essere opportunamente elaborati (in modo tradizionale) in banda base.

Come sarà illustrato in dettaglio in seguito, un aspetto della presente invenzione prevede quindi di introdurre nel circuito di lettura del giroscopio MEMS, uno stadio di combinazione aggiuntivo, atto ad implementare l’opportuna combinazione di grandezze elettriche associate alle varie masse di rilevamento 22a-22b, in modo tale da estrapolare le informazioni utili al rilevamento delle sole velocità angolari di rollio Ωxe di beccheggio Ωy.

In dettaglio, la figura 4 (in cui elementi simili ad altri già descritti in precedenza vengono indicati con gli stessi numeri di riferimento e non vengono nuovamente descritti in dettaglio) mostra un circuito di lettura 30 realizzato secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione, in cui il suddetto stadio di combinazione, indicato con 32, è disposto a monte dell’intera catena di trasduzione (a monte cioè dell’amplificatore di carica 2 della catena di misura per segnali DSB-SC), e presenta ingressi collegati direttamente agli elettrodi della struttura MEMS 10.

In analogia con quanto illustrato in figura 3, vengono indicati con A, B, C e D gli elettrodi fissi relativi alle masse di rilevamento 22a-22d, nell’ipotesi in cui a ciascuna di tali masse di rilevamento sia associato un singolo elettrodo fisso; sono inoltre nuovamente mostrati i condensatori di rilevamento con variazioni capacitive opposte formati tra gli elettrodi fissi di masse di rilevamento allineate lungo una stessa direzione di rilevamento x1, x2, e l’elettrodo mobile in comune Rot (tale elettrodo mobile essendo collegato elettricamente alle stesse masse di rilevamento).

Lo stadio di combinazione 32 riceve inoltre in ingresso da un circuito di temporizzazione (non illustrato) un primo ed un secondo segnale di fase φRe φP, in particolare segnali ad onda quadra tra loro in controfase, ed è configurato, mediante l’attivazione di opportuni interruttori comandati dagli stessi segnali di fase ed opportunamente dimensionati, in modo da cortocircuitare a coppie tra loro gli elettrodi fissi A, B, C e D. In particolare, lo stadio di combinazione 32 esegue opportune combinazioni dei contribuiti di carica (o di variazione capacitiva) generati dalle masse di rilevamento 22a-22b, per consentire di rilevare, mediante una successiva elaborazione di una prima combinazione, la velocità angolare intorno all’asse di riferimento di rollio in una prima fase di lettura, e per rilevare, mediante una successiva elaborazione di una seconda combinazione, la velocità angolare intorno all’asse di riferimento di beccheggio in una seconda fase di lettura, distinta dalla prima fase di lettura.

In maggiore dettaglio, si faccia riferimento anche alla figura 5, lo stadio di combinazione 32 comprende una matrice di interruttori, ed in particolare: un primo interruttore 34, collegato tra l’elettrodo fisso A (associato alla massa di rilevamento 22a) e l’elettrodo fisso B (associato alla massa di rilevamento 22b), e comandato dal primo segnale di fase φR; un secondo interruttore 35, collegato tra l’elettrodo fisso C (associato alla massa di rilevamento 22c) e l’elettrodo fisso D (associato alla massa di rilevamento 22d), e comandato anch’esso dal primo segnale di fase φR; un terzo interruttore 36, collegato tra l’elettrodo fisso B e l’elettrodo fisso C, e comandato dal secondo segnale di fase φP; ed un quarto interruttore 37, collegato tra l’elettrodo fisso A e l’elettrodo fisso D, e comandato anch’esso dal secondo segnale di fase φP.

Inoltre, lo stadio di combinazione 32 implementa un collegamento elettrico diretto tra l’elettrodo fisso A ed un ingresso non invertente dell’amplificatore di carica 2, ed un ulteriore collegamento elettrico diretto tra l’elettrodo fisso C ed un ingresso invertente dello stesso amplificatore di carica 2.

In uso, in una prima fase di lettura, corrispondente all’intervallo attivo alto del primo segnale di fase φR, vengono cortocircuitati tra loro gli elettrodi fissi A e B (che vengono inoltre collegati all’ingresso non invertente dell’amplificatore di carica 2) e vengono cortocircuitati tra loro gli elettrodi fissi C e D (che vengono inoltre collegati all’ingresso invertente dell’amplificatore di carica 2). In tale prima fase, dato anche il rapporto di proporzionalità diretta tra i contributi di velocità angolare ed i contributi di carica o variazioni capacitive, viene dunque implementata la suddetta prima espressione di combinazione A+B−C −D, ottenendo in uscita dall’amplificatore di carica 2 un segnale di variazione di tensione correlato alla sola velocità angolare di rollio Ωx.

In una seconda fase di lettura, successiva e distinta rispetto alla prima fase, corrispondente all’intervallo attivo alto del secondo segnale di fase φP(durante il quale il primo segnale di fase φRè al livello logico basso), vengono invece cortocircuitati tra loro gli elettrodi fissi A e D (che vengono inoltre collegati all’ingresso non invertente dell’amplificatore di carica 2) e vengono cortocircuitai tra loro gli elettrodi fissi B e C (che vengono inoltre collegati all’ingresso invertente dell’amplificatore di carica 2). In tale seconda fase, viene dunque implementata la suddetta seconda espressione di combinazione A−B−C D, ottenendo in uscita dall’amplificatore di carica 2 un segnale di variazione di tensione correlato alla sola velocità angolare di beccheggio Ωy.

Si noti dunque come la matrice di interruttori nello stadio di combinazione 32 implementi una sorta di matrice di pesi per la combinazione degli elettrodi fissi A, B, C e D e dei relativi contributi capacitivi, determinando il segno, positivo o negativo, dei contributi di carica associati a tali elettrodi nella sommatoria generante le suddette prima o seconda espressione di combinazione.

Come mostrato nella figura 4, il segnale differenziale di variazione di tensione in uscita dall’amplificatore di carica 2 viene inviato al demodulatore 4, che ne realizza la demodulazione coerente utilizzando il segnale di clock CK in fase con la velocità angolare di azionamento ωz.

Il circuito di lettura 30 prevede quindi in questo caso vantaggiosamente un’unica catena di misura per segnali a doppia banda laterale con soppressione della portante (di tipo DSB-SC), indicata complessivamente con 40 e costituita dall’unico amplificatore di carica 2 e dall’unico demodulatore 4, collegati in cascata. Tale unica catena di misura realizza infatti una lettura a divisione di tempo (scandita dai suddetti primo e secondo segnale di fase) degli assi di riferimento di rollio e beccheggio: in particolare, durante la prima fase, il segnale demodulato (in uscita dal demodulatore 4) è rappresentativo della velocità angolare di rollio che deve essere rilevata, mentre durata la seconda fase, il segnale demodulato è rappresentativo della velocità angolare di beccheggio.

Eventualmente (in modo non illustrato), è possibile utilizzare tale unica catena di misura per segnali DSB-SC 40 anche per leggere in divisione di tempo la velocità angolare di imbardata Ωz(relativa all’asse di riferimento di yaw), semplicemente introducendo una terza fase di lettura (ed un terzo segnale di fase φY) ad essa dedicata che sarà sfasata rispetto alle precedenti fasi di lettura (associate ai segnali di fase φRe φP); saranno in questo caso previsti ulteriori interruttori comandati dal terzo segnale di fase φYper collegare agli ingressi dell’amplificatore di carica 2 gli elettrodi fissi 25 associati alle ulteriori masse di rilevamento 28, 28', sensibili alla velocità angolare di imbardata Ωz. In questa terza fase, gli interruttori 34, 35, 36 e 37 sono aperti; di conseguenza, per evitare che gli elettrodi fissi A, B, C e D rimangano flottanti, si introducono ulteriori quattro interruttori, rispettivamente collegati tra gli elettrodi fissi A, B, C, D ed un terminale a potenziale noto (preferibilmente lo stesso potenziale utilizzato come modo comune d’ingresso dell’amplificatore di carica 2 durante la prima e la seconda fase di lettura), così da mantenere la struttura micro-elettromeccanica completamente polarizzata.

A valle del demodulatore 4, è invece nuovamente previsto l’utilizzo di due distinte catene di misura per segnali in banda base 38a, 38b, rispettivamente per i segnali relativi alle velocità angolari di beccheggio e di rollio, ciascuna catena comprendendo un rispettivo stadio sample&hold 6, seguito in cascata da uno stadio di filtro 8, atto a fornire sull’apposito elettrodo di uscita 9a, 9b il segnale di uscita analogico utile, contenente l’informazione desiderata della velocità angolare di beccheggio o rollio rilevata dalla struttura MEMS 10.

In particolare, il circuito di lettura 30 comprende in questo caso un demultiplatore (demultiplexer) 39, avente ingressi collegati all’uscita differenziale del demodulatore 4 e ricevente anch’esso il primo ed il secondo segnale di fase φR, φP, e configurato in modo tale da collegare l’uscita del demodulatore 4 alla prima catena di misura per segnali in banda base 38a (relativa alla velocità angolare di beccheggio) durante la prima fase di lettura, ed alla seconda catena di misura per segnali in banda base 38b (relativa alla velocità angolare di rollio) durante la seconda fase di lettura.

Vantaggiosamente, e come risulta evidente dalla discussione precedente, la prima forma di realizzazione descritta consente di ridurre l’occupazione di area ed il consumo di potenza elettrica del circuito di lettura 30 associato alla struttura MEMS 10 del giroscopio multi-asse, in quanto prevede l’utilizzo di una sola catena di misura per segnali DSB-SC. Tuttavia, tale soluzione comporta anche il fatto che la demodulazione, almeno nel caso di un giroscopio biassiale, avvenga con un numero dimezzato di campioni (in quanto le velocità angolari di beccheggio e di rollio sono lette a fasi alterne e l’unica catena di misura per segnali DSB-SC è utilizzata in divisione di tempo).

Una seconda forma di realizzazione del circuito di lettura, qui indicato con 30', si faccia riferimento alla figura 6, prevede quindi l’utilizzo di due distinte catene di misura per i segnali a doppia banda laterale con soppressione della portante DSB-SC, indicate con 40a, 40b (o eventualmente, in modo non illustrato, di tre catene di misura distinte, nel caso di un giroscopio triassiale), rispettivamente per i segnali DSB-SC relativi alle velocità angolari di beccheggio e di rollio, ciascuna catena comprendendo un rispettivo amplificatore di carica 2 ed un rispettivo demodulatore 4, collegati in cascata.

Lo stadio di combinazione, qui indicato con 32', è posizionato a valle dei demodulatori 4 delle due catene di misura per segnali DSB-SC 40a, 40b, e presenta ingressi collegati alle uscite differenziali di tali demodulatori 4.

In maggiore dettaglio, la prima catena di misura per segnali DSB-SC, indicata con 40a, è collegata in ingresso agli elettrodi fissi A e C ed acquisisce ed elabora congiuntamente i contributi capacitivi associati alle masse di rilevamento 22a e 22c della prima coppia di masse di rilevamento allineate lungo la prima direzione di rilevamento x1. In particolare, l’amplificatore di carica 2 della prima catena di misura presenta ingresso non invertente collegato all’elettrodo fisso A ed ingresso invertente collegato all’elettrodo fisso C, così da fornire in uscita un segnale di variazione di tensione, di tipo fully-differential, correlato alla differenza (A-C) dei contributi capacitivi associati a tali elettrodi.

In modo analogo, la seconda catena di misura per segnali DSB-SC 40b è collegata in ingresso agli elettrodi fissi B e D ed acquisisce ed elabora congiuntamente i contributi capacitivi associati alle masse di rilevamento 22b e 22d della seconda coppia di masse di rilevamento allineate lungo la seconda direzione di rilevamento x2. In particolare, l’amplificatore di carica 2 della seconda catena di misura presenta ingresso non invertente collegato all’elettrodo fisso B ed ingresso invertente collegato all’elettrodo fisso D, così da fornire in uscita un segnale di variazione di tensione, di tipo fully-differential, correlato alla differenza (B-D) dei contributi capacitivi associati a tali elettrodi.

Lo stadio di combinazione 32' comprende qui un circuito sommatore di tipo a capacità commutate (switched capacitor), di tipo per sé noto e per questo non descritto in dettaglio, il quale elabora i segnali ricevuti in ingresso e li combina opportunamente in modo tale da implementare nuovamente le suddette prima e seconda espressione di combinazione. In particolare, lo stadio di combinazione 32' implementa simultaneamente una operazione di somma dei segnali ricevuti in ingresso per generare in uscita un primo segnale elaborato associato alla prima espressione di combinazione, A+B−C −D, ed un’operazione di differenza di tali segnali per generare in uscita un secondo segnale elaborato, associato alla seconda espressione di combinazione, A−B−C D. Si noti che, in tale seconda forma di realizzazione, a differenza della precedente, lo stadio di combinazione 32' è configurato in modo da elaborare congiuntamente i segnali di tensione in uscita dai blocchi demodulatori, e non direttamente i pacchetti di carica ricevuti dalle masse di rilevamento.

I segnali elaborati, ancora di tipo differenziale, in uscita dallo stadio di combinazione 32', vengono nuovamente processati in due distinte catene di misura per segnali in banda base, indicate nuovamente con 38a, 38b, relative alle velocità angolari di beccheggio e, rispettivamente, di rollio. In particolare, il primo segnale elaborato associato alla prima espressione di combinazione, A+B−C −D, rappresentativo dunque della sola velocità angolare di rollio Ωx, viene inviato alla seconda catena di misura per segnali in banda base 38b, che amplifica, filtra e trasforma il segnale in tempo continuo, e fornisce sul secondo elettrodo di uscita 9b un segnale direttamente correlato a tale velocità angolare di rollio Ωx. Il secondo segnale elaborato, associato alla seconda espressione di combinazione, A−B−C D, rappresentativo dunque della sola velocità angolare di beccheggio Ωy, viene invece inviato alla prima catena di misura per segnali in banda base 38a, che amplifica, filtra e trasforma il segnale in tempo continuo, e fornisce sul primo elettrodo di uscita 9a un segnale correlato alla velocità angolare di beccheggio Ωy.

Vantaggiosamente, e come risulta evidente dalla discussione precedente, la seconda forma di realizzazione descritta consente di effettuare una demodulazione con un numero massimo di campioni (in quanto utilizza due catene di misura distinte sia per i segnali DSB-SC, che per i segnali in banda base), ma presenta l’inconveniente di richiedere un incremento di area e di consumo rispetto alla prima forma di realizzazione precedentemente descritta. Inoltre, è noto che effettuare l’elaborazione di segnali di tensione è in generale più onerosa, dal punto di vista delle risorse, rispetto all’elaborazione di pacchetti di carica richiesta per ricavarne lo stesso contenuto informativo.

I vantaggi del circuito di lettura per un giroscopio MEMS multi-asse realizzato secondo la presente invenzione emergono quindi in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In particolare, si sottolinea nuovamente che la soluzione circuitale proposta consente di ricavare in maniera semplice ed efficace le informazioni legate alle velocità angolari da rilevare intorno agli assi di riferimento di rollio e beccheggio, a partire da segnali di rilevamento associati a direzioni di rilevamento inclinate rispetto a tali assi di riferimento, utilizzando le catene di misura per segnali DSB-SC e per segnali in banda base richieste per il condizionamento dei segnali in uscita dalla struttura MEMS del giroscopio.

Il circuito di lettura mantiene inalterato il rapporto segnale rumore, ed anzi incrementa la sensibilità del rilevamento delle velocità angolari di un fattore 2.

Tra le forme di realizzazione descritte, quella che utilizza il multiplexing, o lettura in divisione di tempo, dei canali associati alle varie velocità angolari (prima forma di realizzazione descritta), risulta particolarmente vantaggiosa per quanto riguarda la riduzione dei consumi e dell’area del circuito integrato, nonché dei costi associati alla sua realizzazione.

Le suddette caratteristiche rendono il giroscopio multi-asse particolarmente indicato per l’integrazione in un dispositivo elettronico, utilizzabile in una pluralità di sistemi elettronici, ad esempio in sistemi di navigazione inerziale, in sistemi automotive o in sistemi di tipo portatile, quale ad esempio: un PDA (Personal Digital Assistant); un computer portatile; un telefono cellulare; un riproduttore di audio digitale; una foto- o video-camera; un controller di una console per videogiochi; il dispositivo elettronico essendo generalmente in grado di elaborare, memorizzare, trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.

In dettaglio, la figura 7 mostra un dispositivo elettronico 50, comprendente il giroscopio MEMS multi-asse, qui indicato con 52 e comprendente: la struttura MEMS 10 precedentemente descritta; il circuito di lettura 30 (o, analogamente ed in modo non illustrato, il circuito di lettura 30' della seconda forma di realizzazione descritta); ed un circuito di azionamento 53, operativamente accoppiato al gruppo di azionamento 14 per impartire il movimento di azionamento alle varie masse di azionamento 13 della struttura MEMS 10, e fornire segnali di polarizzazione alla stessa struttura MEMS 10 (in modo di per sé noto, qui non illustrato in dettaglio).

Vantaggiosamente, il circuito di azionamento 53 ed il circuito di lettura 30 possono essere realizzati in tecnologia completamente integrata (ad esempio di tipo CMOS o biCMOS) ed integrati in una ulteriore piastrina di materiale semiconduttore, indicata schematicamente con 54, che può essere disposta con la piastrina 12 della struttura MEMS 10 all’interno di uno stesso contenitore (package), indicato schematicamente con 55 (le due piastrine essendo collegate elettricamente e meccanicamente con tecniche di per sé note), in tal modo ottenendo una ulteriore riduzione dell’occupazione degli spazi.

Il dispositivo elettronico 50 comprende inoltre: un’unità elettronica di controllo 56, ad esempio a microprocessore, collegata al circuito di lettura 30, ed atta a sovrintendere al funzionamento generale del dispositivo elettronico 50, ad esempio anche in funzione delle velocità angolari rilevate e determinate; uno stadio di ingresso 57, provvisto di opportuni elementi di introduzione dati utilizzabile da un utente (ad esempio una tastiera); uno stadio di emissione 58, provvisto di opportuni elementi di emissione dati (ad esempio sotto forma di un display); ed uno stadio di trasmissione/ricezione 59, controllato dall’unità elettronica di controllo 56 per la trasmissione e ricezione di dati, ad esempio con una qualsiasi modalità wireless di tipo noto (quale ad esempio Bluetooth, Wifi, IR, ecc.).

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

In particolare, è chiaro che la soluzione descritta può trovare vantaggiosa applicazione anche nel caso in cui l’angolo di inclinazione tra le direzioni di rilevamento e gli assi di riferimento sia diverso da 45°, ad esempio nel caso in cui tale angolo sia compreso tra 40° e 50°; naturalmente, la precisione del rilevamento delle velocità angolari di beccheggio e rollio sarà maggiore per angoli di inclinazione uguali o prossimi al valore di 45°. In alternativa, nel caso in cui l’angolo di inclinazione differisca sensibilmente dal valore di 45°, possono essere previste differenti operazioni di combinazione dei contributi di carica (o delle variazioni capacitive) associate ai vari elettrodi, o delle grandezze elettriche ad essi associate. In particolare, la matrice di interruttori nello stadio di combinazione (si veda la prima forma di realizzazione) potrà in tal caso essere configurata in modo da associare a ciascun elettrodo il peso opportuno per generare la combinazione desiderata.

Inoltre, il circuito di lettura precedentemente descritto può essere utilizzato, con opportune modifiche, nel caso in cui ad ogni massa di rilevamento del giroscopio multi-asse siano associati due elettrodi fissi in configurazione differenziale. Anche in questo caso si potrà avere infatti una fase di lettura dedicata ad ogni asse da rilevare, con il vantaggio di avere un’unica catena di lettura DSB-SC per gli assi letti e l’associato risparmio di area e di corrente; non si avrà però l’incremento della sensitività del fattore 2.

È inoltre evidente che il circuito di lettura precedentemente descritto può trovare vantaggiosa applicazione anche in altre tipologie di trasduttori multiasse (oltre al giroscopio descritto), che presentino direzioni di rilevamento (cioè direzioni sensibili dei relativi elementi di rilevamento) inclinate rispetto agli assi di riferimento (cioè gli assi lungo i quali agiscono le grandezze fisiche da rilevare e trasdurre); ad esempio, tale circuito può essere utilizzato in magnetometri a flusso assiale, oppure in accelerometri inerziali. Più in generale, il circuito di lettura descritto può essere utilizzato dove la grandezza fisica da rilevare possa essere trasdotta attraverso una lettura di carica di tipo SC “fully differential” a divisione di tempo.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di lettura (30, 30'), per un giroscopio multi-asse (52) dotato di una struttura microelettromeccanica (10) avente assi di riferimento (x, y) lungo cui sono destinate ad agire rispettive velocità angolari (Ωx, Ωy) da rilevare, ed elementi di rilevamento (22a-22d) sensibili lungo rispettive direzioni di rilevamento (x1, x2) ed atti a generare rispettive grandezze di rilevamento in funzione di proiezioni di dette velocità angolari lungo dette rispettive direzioni di rilevamento (x1, x2); detto circuito di lettura (30, 30') essendo configurato in modo da generare, sulla base di dette grandezze di rilevamento, segnali elettrici di uscita (OUT) correlati, ciascuno, ad una rispettiva di dette velocità angolari (Ωx, Ωy), caratterizzato dal fatto di comprendere uno stadio di combinazione (32, 32') configurato in modo da combinare elettricamente tra di loro grandezze elettriche correlate a grandezze di rilevamento generate da elementi di rilevamento (22a-22d) sensibili lungo direzioni di rilevamento differenti tra loro, così da tener conto di un angolo di inclinazione (Φ) non nullo di dette direzioni di rilevamento (x1, x2) rispetto a detti assi di riferimento (x, y).
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui detto stadio di combinazione (32, 32') è configurato in modo da combinare elettricamente tra di loro grandezze elettriche correlate alle grandezze di rilevamento generate da ciascuno di detti elementi di rilevamento (22a-22b).
3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui dette grandezze di rilevamento includono variazioni capacitive dovute a spostamenti di detti elementi di rilevamento (22a-22d) rispetto ad associati elettrodi fissi (A-D) in funzione di dette proiezioni di dette velocità angolari lungo dette rispettive direzioni di rilevamento (x1, x2); comprendente uno stadio di ingresso (40; 40a, 40b) configurato in modo da convertire dette variazioni capacitive in segnali elettrici modulati e quindi demodulare detti segnali elettrici modulati sulla base di un segnale di riferimento (CK); ed uno stadio di uscita (38a, 38b) configurato in modo da ricevere segnali elettrici intermedi correlati ai segnali elettrici demodulati da detto stadio di ingresso (40; 40a, 40b) e da elaborare detti segnali elettrici intermedi per generare detti segnali elettrici di uscita (OUT); detto stadio di combinazione (32, 32') essendo disposto a monte di detto stadio di uscita (38a, 38b) in modo tale che a ciascuno di detti segnali elettrici intermedi sia associato un contenuto informativo esclusivamente legato ad una rispettiva di dette velocità angolari (Ωx, Ωy).
4. 4. Circuito secondo la rivendicazione 3, in cui detta struttura microelettromeccanica (10) è inoltre provvista di una massa di azionamento (13) atta ad essere azionata ad una frequenza di risonanza e ad una velocità angolare di azionamento (ωz); ed in cui detto stadio di ingresso (40; 40a, 40b) comprende: un elemento amplificatore di carica (2), atto ad amplificare dette variazioni capacitive e generare detti segnali elettrici modulati, di tipo DSB-SC (Dual Side Band - Suppressed Carrier) modulati in ampiezza con portante correlata a detta velocità angolare di azionamento (ωz); ed un elemento demodulatore (4) collegato in cascata a detto elemento amplificatore di carica (2) ed atto a demodulare detti segnali elettrici modulati di tipo DSB-SC; ed in cui detto stadio di uscita (38a, 38b) comprende: un elemento campionatore (6), atto a campionare detti segnali elettrici intermedi e generare segnali elettrici campionati; ed uno stadio di filtro (8) collegato in cascata a detto elemento campionatore (6) ed atto a filtrare detti segnali elettrici campionati, rimuovendo almeno una componente di frequenza correlata a detta frequenza di risonanza, per generare detti segnali elettrici di uscita (OUT).
5. 5. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura microelettromeccanica (10) presenta un asse di riferimento di beccheggio (x) ed un asse di riferimento di rollio (y) lungo cui agiscono rispettivamente una velocità angolare di beccheggio (Ωx) ed una velocità angolare di rollio (Ωy), ed è inoltre dotata di un primo (22a) ed un secondo (22c) elemento di rilevamento sensibili lungo una prima direzione di rilevamento (x1), ed un terzo (22b) ed un quarto (22d) elemento di rilevamento sensibili lungo una seconda direzione di rilevamento (x2), dette prima (x1) e seconda (x2) direzione di rilevamento essendo inclinate di un angolo compreso tra 40° e 50°, preferibilmente sostanzialmente pari a 45°, rispetto a detti assi di riferimento di beccheggio (x) e di rollio (y); in cui detti primo (22a) e terzo (22b) elemento di rilevamento e detto secondo (22c) e quarto (22d) elemento di rilevamento sono disposti, a coppie, da parte opposta rispetto a detto asse di riferimento di rollio (y) e detti primo (22a) e quarto (22d) elemento di rilevamento e detto secondo (22c) e terzo (22b) elemento di rilevamento sono disposti, a coppie, da parte opposta rispetto a detto asse di riferimento di beccheggio (x); ed in cui detto stadio di combinazione (32, 32') è configurato in modo da: eseguire una prima operazione di combinazione sommando con un primo segno grandezze elettriche correlate alle grandezze di rilevamento generate da detti primo (22a) e terzo (22b) elemento di rilevamento e con un secondo segno, opposto al primo, grandezze elettriche correlate alle grandezze di rilevamento generate da detti secondo (22c) e quarto (22d) elemento di rilevamento, per generare un primo segnale di uscita correlato a detta velocità angolare di rollio (Ωy); ed eseguire una seconda operazione di combinazione sommando con detto primo segno grandezze elettriche correlate alle grandezze di rilevamento generate da detti primo (22a) e quarto (22d) elemento di rilevamento e con detto secondo segno grandezze elettriche correlate alle grandezze di rilevamento generate da detti secondo (22c) e terzo (22b) elemento di rilevamento per generare un secondo segnale di uscita correlato a detta velocità angolare di beccheggio (Ωx).
6. 6. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette grandezze elettriche coincidono con dette grandezze di rilevamento ed includono variazioni capacitive dovute a spostamenti di detti elementi di rilevamento (22a-22d) rispetto ad associati elettrodi fissi (A-D) in funzione di dette proiezioni di dette velocità angolari lungo dette rispettive direzioni di rilevamento (x1, x2); ed in cui detto stadio di combinazione (32) presenta ingressi atti ad essere collegati elettricamente a detti elettrodi fissi (A-D) in modo da ricevere in ingresso dette variazioni capacitive, ed è configurato in modo da implementare combinazioni delle variazioni capacitive generate da detti elementi di rilevamento (22a-22b) sensibili a dette direzioni di rilevamento differenti tra loro.
7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 6, in cui detto stadio di combinazione (32) presenta un ingresso ricevente segnali di fase (φR, φP) e comprende un gruppo di elementi interruttori (34-37) azionabili da detti segnali di fase per cortocircuitare a coppie detti elettrodi fissi (A-D) ed implementare dette combinazioni di dette variazioni capacitive.
8. 8. Circuito secondo la rivendicazione 7, comprendente un elemento amplificatore di carica (2) collegato in cascata a detto stadio di combinazione (32); in cui detta struttura microelettromeccanica (10) presenta un asse di riferimento di beccheggio (x) ed un asse di riferimento di rollio (y) lungo cui agiscono rispettivamente una velocità angolare di beccheggio (Ωx) ed una velocità angolare di rollio (Ωy), ed è inoltre dotata di una prima coppia di elementi di rilevamento (22a, 22c) sensibili lungo una prima direzione di rilevamento (x1) ed a cui sono associati un primo (A) ed un secondo (C) elettrodo fisso, ed una seconda coppia di elementi di rilevamento (22b, 22d) sensibili lungo una seconda direzione di rilevamento (x2) ed a cui sono associati un terzo (B) ed un quarto (D) elettrodo fisso, dette prima (x1) e seconda (x2) direzione di rilevamento essendo inclinate di un angolo compreso tra 40° e 50°, preferibilmente sostanzialmente pari a 45°, rispetto a detti assi di riferimento di beccheggio (x) e di rollio (y); in cui detto gruppo di elementi interruttori (34-37) comprende: un primo elemento interruttore (34) collegato tra detto primo (A) e detto terzo (B) elettrodo fisso e comandato da un primo (φR) di detti segnali di fase; un secondo elemento interruttore (35) collegato tra detti secondo (C) e quarto (D) elettrodo fisso e comandato da detto primo segnale di fase (φR); un terzo elemento interruttore (36) collegato tra detti secondo (C) e terzo (B) elettrodo fisso e comandato da un secondo (φP) di detti segnali di fase; ed un quarto elemento interruttore (37) collegato tra detti primo (A) e quarto (D) elettrodo fisso e comandato da detto secondo segnale di fase (φP); ed in cui detto stadio di combinazione (32) definisce inoltre un collegamento diretto tra detto primo elettrodo fisso (A) ed un primo ingresso di detto elemento amplificatore di carica (2) ed un collegamento diretto tra detto secondo elettrodo fisso (C) ed un secondo ingresso di detto elemento amplificatore di carica (2).
9. 9. Circuito secondo la rivendicazione 7 o 8, comprendente uno stadio di ingresso dotato di un’unica catena di misura di ingresso (40) collegata in cascata a detto stadio di combinazione (32) e configurata in modo da convertire dette combinazioni di variazioni capacitive in segnali elettrici modulati e quindi demodulare detti segnali elettrici in funzione di un segnale di riferimento (CK); in cui detto gruppo di elementi interruttori (34-37) è azionabile da parte di detti segnali di fase (φR, φP) per implementare una rispettiva combinazione di dette variazioni capacitive per ciascuna di dette velocità angolari (Ωx, Ωy), ed alimentare a tempi distinti dette rispettive combinazioni di dette variazioni capacitive a detta unica catena di misura di ingresso (40) secondo uno schema a divisione di tempo, in funzione del valore di detti segnali di fase (φR, φP).
10. 10. Circuito secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre: uno stadio di uscita (38a, 38b) comprendente rispettive catene di misura di uscita (38a, 38b) per ciascuna di dette velocità angolari (Ωx, Ωy), configurate in modo da ricevere i segnali elettrici demodulati da detta unica catena di misura di ingresso (40) e da elaborare detti segnali elettrici demodulati per generare detti segnali elettrici di uscita (OUT); ed uno stadio demultiplatore (39) collegato in cascata a detta unica catena di misura di ingresso (40) ed avente un rispettivo ingresso ricevente detti segnali di fase (φR, φP), e configurato in modo da alimentare detti segnali elettrici demodulati in uscita da detta unica catena di misura di ingresso (40) verso una catena di misura di uscita selezionata tra dette rispettive catene di misura di uscita (38a, 38b), selezionata in funzione del valore di detti segnali di fase (φR, φP).
11. 11. Circuito secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detto stadio di ingresso comprende distinte catene di misura di ingresso (40a, 40b) per ciascuna di dette velocità angolari (Ωx, Ωy), e detto stadio di uscita (38a, 38b) comprende distinte catene di misura di uscita (38a, 38b) per ciascuna di dette velocità angolari (Ωx, Ωy); ed in cui detto stadio di combinazione (32') è interposto tra detto stadio di ingresso (40a, 40b) e detto stadio di uscita (38a, 38b) ed include un elemento sommatore (32') configurato in modo da eseguire rispettive sommatorie dei segnali elettrici demodulati da ciascuna di dette catene di misura di ingresso (40a, 40b) in modo da generare detti segnali elettrici intermedi.
12. 12. Circuito secondo la rivendicazione 11, in cui detto elemento sommatore (32') è realizzato con tecnica a capacità commutate.
13. 13. Circuito secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detta struttura microelettromeccanica (10) di detto giroscopio multi-asse (52) presenta un asse di riferimento di beccheggio (x) ed un asse di riferimento di rollio (y) lungo cui agiscono rispettivamente una velocità angolare di beccheggio (Ωx) ed una velocità angolare di rollio (Ωy), ed è inoltre dotata di una prima coppia di elementi di rilevamento (22a, 22c) sensibili lungo una prima direzione di rilevamento (x1) ed a cui sono associati un primo (A) ed un secondo (C) elettrodo fisso, ed una seconda coppia di elementi di rilevamento (22b, 22d) sensibili lungo una seconda direzione di rilevamento (x2) ed a cui sono associati un terzo (B) ed un quarto (D) elettrodo fisso, dette prima (x1) e seconda (x2) direzione di rilevamento essendo inclinate di un angolo compreso tra 40° e 50°, preferibilmente sostanzialmente pari a 45°, rispetto a detti assi di riferimento di beccheggio (x) e di rollio (y); in cui detto stadio di ingresso comprende: una prima catena di misura di ingresso (40a) collegata a detti primo (A) e secondo (C) elettrodo fisso e configurata in modo da generare un primo segnale elettrico demodulato in funzione di una differenza delle variazioni capacitive associate a detti primo (A) e secondo (C) elettrodo fisso; ed una seconda catena di misura di ingresso (40b) collegata a detti terzo (B) e quarto (D) elettrodo fisso e configurata in modo da generare un secondo segnale elettrico demodulato in funzione di una differenza delle variazione capacitive associate a detti terzo (B) e quarto (D) elettrodo fisso; ed in cui detto elemento sommatore (32') è configurato in modo da eseguire una somma ed una differenza di detti primo e secondo segnale elettrico demodulato per generare un primo e, rispettivamente, un secondo segnale elettrico intermedio, atti ad essere inviati, sostanzialmente allo stesso tempo, rispettivamente ad una prima e ad una seconda di dette catene di misura di uscita (38a, 38b).
14. 14. Giroscopio multi-asse (52), comprendente una struttura microelettromeccanica (10) avente assi di riferimento (x, y) lungo cui sono destinate ad agire rispettive velocità angolari (Ωx, Ωy) da rilevare, ed elementi di rilevamento (22a-22d) sensibili lungo rispettive direzioni di rilevamento (x1, x2) ed atti a generare rispettive grandezze di rilevamento in funzione di proiezioni di dette velocità angolari lungo dette direzioni di rilevamento, caratterizzato dal fatto che dette direzioni di rilevamento (x1, x2) sono inclinate rispetto a detti assi di riferimento (x, y) di un angolo di inclinazione (Φ) non nullo, e dal fatto di comprendere un circuito di lettura (30, 30') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
15. 15. Giroscopio secondo la rivendicazione 14, in cui detta struttura microelettromeccanica (10) presenta un asse di riferimento di beccheggio (x) ed un asse di riferimento di rollio (y) lungo cui agiscono rispettivamente una velocità angolare di beccheggio (Ωx) ed una velocità angolare di rollio (Ωy), e comprende inoltre una prima coppia di elementi di rilevamento (22a, 22c) sensibili lungo una prima direzione di rilevamento (x1), ed una seconda coppia di elementi di rilevamento (22b, 22d) sensibili lungo una seconda direzione di rilevamento (x2), dette prima (x1) e seconda (x2) direzione di rilevamento essendo inclinate di un angolo compreso tra 40° e 50°, preferibilmente sostanzialmente pari a 45°, rispetto a detti assi di riferimento di beccheggio (x) e di rollio (y); detta struttura microelettromeccanica (10) comprendendo inoltre una massa di azionamento (13) ancorata ad un substrato (12a) tramite elementi elastici di ancoraggio (18a, 18b), ed atta ad essere azionata con un movimento di azionamento ad una frequenza di risonanza; detti elementi di rilevamento (22a-22d) comprendendo rispettive masse di rilevamento sospese all’interno di, e accoppiate a, detta massa di azionamento (13) tramite rispettivi elementi elastici di supporto (24) così da essere ad essa solidali in detto movimento di azionamento ed effettuare un rispettivo movimento di rilevamento in risposta a dette velocità angolari di beccheggio (Ωx) e di rollio (Ωy).
16. 16. Giroscopio secondo la rivendicazione 15, in cui detta struttura microelettromeccanica (10) presenta inoltre un asse di riferimento di imbardata (z) lungo cui agisce una velocità angolare di imbardata (Ωz), e comprende inoltre una terza coppia di elementi di rilevamento (28, 28') sensibili a detta velocità angolare di imbardata (Ωz) e costituiti da rispettive masse di rilevamento sospese all’interno di, e accoppiate a, detta massa di azionamento (13) tramite rispettivi elementi elastici di supporto (29), così da essere ad essa solidali in detto movimento di azionamento ed effettuare un rispettivo movimento di rilevamento in risposta a detta velocità angolare di imbardata (Ωz).
17. 17. Giroscopio secondo la rivendicazione 15 o 16, in cui detti elementi di rilevamento (22a, 22c) di detta prima coppia sono allineati lungo detta prima direzione di rilevamento (x1) e detti elementi di rilevamento (22b, 22d) di detta seconda coppia sono allineati lungo detta seconda direzione di rilevamento (x2).
18. 18. Giroscopio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15-17, in cui detta struttura microelettromeccanica (10) è integrata in una prima piastrina (12) di materiale semiconduttore; comprendente inoltre un circuito di azionamento (53), atto ad azionare detta massa di azionamento (13) ed integrato in una seconda piastrina (54) di materiale semiconduttore insieme a detto circuito di lettura (30; 30'); dette prima (12) e seconda (54) piastrina essendo disposte all’interno di uno stesso contenitore (55).
19. 19. Dispositivo elettronico (50) comprendente un giroscopio multi-asse (52) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 14-18, ed un circuito di controllo (56), operativamente accoppiato a detto giroscopio multi-asse ed atto a gestire detto dispositivo elettronico in funzione anche di dette velocità angolari (Ωx, Ωy) rilevate.
20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 19, di tipo portatile, scelto nel gruppo comprendente: un dispositivo PDA (Personal Digital Assistant); un computer portatile; un telefono cellulare; un riproduttore di audio digitale; una foto- o video-camera; un controller di una console per videogiochi.