ITTO20091017A1 - Dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante e metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante - Google Patents
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Description
“DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO CON MASSA OSCILLANTE E METODO PER CONTROLLARE UN DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO CON MASSA OSCILLANTEâ€
La presente invenzione si riferisce a un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante e metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante.
Come à ̈ noto, l’impiego di sistemi microelettromeccanici o MEMS (dall’inglese “Micro-Electro-Mechanical Systems†) si à ̈ andato sempre più diffondendo in vari settori della tecnologia e ha dato risultati incoraggianti specialmente nella realizzazione di sensori inerziali, giroscopi microintegrati, e oscillatori elettromeccanici per svariate applicazioni.
I sistemi MEMS di questo tipo sono di solito basati su strutture microelettromeccaniche comprendenti almeno una massa collegata a un corpo fisso (statore) mediante molle e mobile rispetto allo statore secondo prefissati gradi di libertà . La massa mobile e lo statore sono accoppiati capacitivamente mediante una pluralità di rispettivi elettrodi interdigitati e reciprocamente affacciati, in modo da formare dei condensatori. Il movimento della massa mobile rispetto allo statore, ad esempio a causa di una sollecitazione esterna, modifica la capacità dei condensatori; da qui si può risalire allo spostamento relativo della massa mobile rispetto al corpo fisso e quindi alla forza applicata. Viceversa, fornendo opportune tensioni di polarizzazione, à ̈ possibile applicare una forza elettrostatica alla massa mobile per metterla in movimento. Inoltre, per realizzare oscillatori elettromeccanici si sfrutta la risposta in frequenza delle strutture MEMS inerziali, che tipicamente à ̈ di tipo passa-basso del secondo ordine, con una frequenza di risonanza.
I giroscopi MEMS hanno una struttura elettromeccanica più complessa, che comprende due masse mobili rispetto allo statore e accoppiate fra loro in modo da avere un grado di libertà relativo. Le due masse mobili sono entrambe capacitivamente accoppiate allo statore. Una delle masse à ̈ dedicata al pilotaggio e viene mantenuta in oscillazione alla frequenza di risonanza. L’altra massa viene trascinata nel moto oscillatorio (traslatorio o rotatorio) e, in caso di rotazione della microstruttura rispetto a un asse giroscopico prefissato con una velocità angolare, à ̈ soggetta a una forza di Coriolis proporzionale alla velocità angolare stessa. In pratica, la massa trascinata, che à ̈ accoppiata capacitivamente al corpo fisso mediante elettrodi, come la massa di pilotaggio, opera come un accelerometro che consente di rilevare la forza e l’accelerazione di Coriolis e quindi di risalire alla velocità angolare.
Nei giroscopi, come in altri dispositivi, la trasduzione delle grandezze richiede che la massa mobile o il sistema di masse mobili venga mantenuto in oscillazione a una data frequenza. Chiaramente, all’accensione del dispositivo (Power-On) o all’uscita da configurazioni di basso consumo (Power-Down) à ̈ necessario un transitorio di avvio prima che la massa mobile o il sistema di masse mobili raggiunga una condizione di oscillazione stabile. Nel transitorio di avvio, il moto oscillatorio viene forzato attraverso componenti di avvio che forniscono una quantità di energia fissa, normalmente in forma di un treno di impulsi di durata prestabilita, sufficiente a raggiungere la frequenza di funzionamento nominale. Una volta esaurito il transitorio, i componenti di avvio vengono disattivati e l’oscillazione à ̈ mantenuta dai dispositivi che garantiscono il normale funzionamento.
Le soluzioni note necessitano però tempi di avvio piuttosto lunghi. La durata del transitorio deve infatti essere determinata tenendo conto di un margine di sicurezza, per evitare che il dispositivo fallisca il raggiungimento di una condizione di oscillazione stabile alla frequenza nominale.
D’altra parte, se l’energia fornita à ̈ eccessiva, l’ampiezza delle oscillazioni può risultare eccessiva e dar luogo a collisioni della massa mobile o del sistema di masse mobili con la struttura fissa.
Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante e metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante che permettano di superare le limitazioni descritte e, in particolare, ridurre i transitori di avvio e il rischio di collisioni fra la struttura mobile e la struttura fissa.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante e metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico con massa oscillante, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 14.
Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne verranno ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo microelettromeccanico in accordo a una prima forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 Ã ̈ un diagramma di flusso relativo a un metodo implementato dal dispositivo di figura 1, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 3 à ̈ uno schema a blocchi semplificato di un giroscopio microelettromeccanico in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 4 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato di uno stadio del giroscopio di figura 3;
- la figura 5 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato di uno stadio di un primo elemento dello stadio di figura 4;
- la figura 6 mostra grafici relativi a grandezze utilizzate nel giroscopio di figura 3;
- la figura 7 à ̈ uno schema a blocchi più dettagliato di uno stadio di un secondo elemento dello stadio di figura 4; e
- la figura 8 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un sistema elettronico incorporante un dispositivo microelettronico secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
La figura 1 mostra schematicamente un generico dispositivo microelettromeccanico oscillante, indicato nel suo complesso con il numero di riferimento 1. Ad esempio, il dispositivo 1 può essere un oscillatore elettromeccanico utilizzabile in telecomunicazioni oppure un sensore inerziale con lettura a retroazione di forza.
Il dispositivo 1 comprende una microstruttura 2 e un dispositivo di pilotaggio 3, collegato alla microstruttura 2 in modo da formare un anello elettromeccanico oscillante 5. Più in dettaglio, la microstruttura 2 comprende un corpo o statore 2a, a cui à ̈ elasticamente collegata una massa mobile 2b, in modo da poter oscillare attorno a una posizione di riposo secondo un grado di libertà .
Il dispositivo di pilotaggio 3 comprende uno stadio di pilotaggio 6, un oscillatore 7, uno stadio di avvio 8 e uno stadio di forzamento 10.
Lo stadio di pilotaggio 6 à ̈ accoppiato alla massa mobile 2b, ad esempio mediante accoppiamento capacitivo, ed à ̈ configurato per rilevare spostamenti della massa mobile 2b e per fornire, in una modalità operativa normale, segnali di pilotaggio di retroazione VFBD. Per effetto dell’accoppiamento con la massa mobile 2b, i segnali di pilotaggio di retroazione VFBDapplicano forze elettrostatiche atte a mantenere la massa mobile 2b medesima in oscillazione a una frequenza di lavoro wDstabile. Inoltre, lo stadio di pilotaggio 6 genera un segnale di clock attuale CKA, avente una frequenza attuale wA, che à ̈ la frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5a e a regime coincide con la frequenza di lavoro wD.
L’oscillatore 7 fornisce un segnale di clock di riferimento CKRasincrono rispetto alle oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 5 e calibrato a una frequenza di riferimento wRprossima alla frequenza di lavoro nominale dell’anello elettromeccanico 5.
Lo stadio di avvio 8 e lo stadio di forzamento 10 sono selettivamente attivabili in specifiche condizioni operative, in cui il regime di oscillazione della massa mobile 2b non à ̈ ancora stato raggiunto. In particolare, lo stadio di avvio 8 e lo stadio di forzamento 10 sono attivabili all’accensione del dispositivo 1 (“Power-On†) e all’uscita da configurazioni di risparmio energetico (uscita da “Power-Down†).
Lo stadio di avvio 8 à ̈ collegato al dispositivo di pilotaggio 6 per ricevere il segnale di clock attuale CKAed à ̈ configurato per alternativamente attivare e disattivare lo stadio di forzamento 10, in base a un confronto fra la frequenza del segnale di clock attuale CKA(frequenza attuale wA, uguale alla frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5) e la frequenza di riferimento wR. In particolare, lo stadio di avvio 8 genera un segnale di abilitazione SEche ha un valore (logico) attivo, quando la frequenza del segnale di clock attuale CKAà ̈ in un intervallo di ammissibilità I attorno alla frequenza di riferimento wR, e un valore (logico) inattivo altrimenti. In una forma di realizzazione, l’intervallo di ammissibilità I à ̈ dato da I = wR± X%, ad esempio con X = 10; tuttavia, l’intervallo di I potrebbe anche non essere simmetrico rispetto alla frequenza di riferimento wR. Lo stadio di avvio 8 à ̈ a sua volta attivabile in risposta a rispettivi valori attivi di segnali di accensione POR o di segnali di uscita da powerdown PD.
Lo stadio di forzamento 10 à ̈ collegabile fra l’uscita dello stadio di pilotaggio 6 e ingressi di pilotaggio della microstruttura 2 attraverso interruttori di avvio (“startup†) 11, 12. Un interruttore di bypass 13 permette di collegare l’uscita del dispositivo di pilotaggio 6 direttamente agli ingressi di pilotaggio della microstruttura 2, escludendo lo stadio di forzamento 10. In particolare, gli interruttori di avvio 11, 12 sono comandati da un segnale di attuazione SC, fornito dallo stadio di avvio 8, mentre l’interruttore di bypass 13 à ̈ comandato dal segnale di attuazione negato SCN.
Lo stadio di forzamento 10 à ̈ comandato dallo stadio di avvio 8 attraverso il segnale di abilitazione SEed à ̈ configurato per applicare alla massa mobile 2b pacchetti di segnale di forzamento VF, in questo caso tensioni (in altre forme di realizzazione, i segnali di forzamento possono essere pacchetti di carica o correnti). Qui e nel seguito, con “pacchetti di segnale di forzamento†si intendono generalmente segnali sinusoidali o sequenze di impulsi applicabili alla massa mobile 2b per produrre una forza su di essa, e aventi la frequenza dell’oscillatore 7 e durata controllata. La durata di ciascun pacchetto di segnale di forzamento VF(in pratica la durata del segnale sinusoidale o il numero di impulsi) e la loro ampiezza determinano l’energia complessivamente trasferita alla massa mobile 2b. I pacchetti di segnale di forzamento VFsono definiti in modo che l’energia trasferita alla massa mobile 2b da ciascun pacchetto sia inferiore all’energia necessaria a portare la massa mobile in oscillazione stabile alla frequenza di lavoro wDa partire da una condizione di quiete.
Quando il dispositivo 1 viene acceso o viene ripristinata la modalità operativa normale, la massa mobile 2b à ̈ in quiete o in movimento con ampiezza e/o frequenza di oscillazione ridotte. La seconda eventualità può ad esempio verificarsi in caso di uscita da una modalità di risparmio energetico dopo una breve permanenza, per cui il transitorio di arresto della massa mobile 2b non si à ̈ ancora esaurito. Uno fra il segnale di accensione POR e il segnale di uscita di power-down PD viene posto in modo noto allo stato attivo e il dispositivo di avvio 8 viene abilitato ed esegue la procedura di seguito descritta con riferimento alla figura 2.
Inizialmente, lo stadio di avvio 8 attiva lo stadio di forzamento 10 ponendo il segnale di abilitazione SEal valore attivo. In risposta all’attivazione, lo stadio di forzamento 10 fornisce un pacchetto di segnale di forzamento VFalla massa mobile 2b, che accelera (blocco 50).
Mentre viene alimentato il pacchetto di segnale di forzamento VF, lo stadio di avvio 8 sorveglia la frequenza attuale wAdel segnale di clock attuale CKA, che à ̈ indicativa della frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5, e la confronta con l’intervallo di ammissibilità I (blocco 55).
Se la frequenza attuale wAdel segnale di clock attuale CKAà ̈ esterna all’intervallo di ammissibilità I (blocco 55, uscita NO), viene incrementato un contatore COUNT precedentemente azzerato (blocco 60). In pratica, quindi, lo stadio di avvio 8 decide se proseguire o interrompere l’applicazione di pacchetti di segnale di forzamento VFin base al confronto fra la frequenza attuale wAe la frequenza di riferimento wR.
Se il contatore COUNT ha raggiunto un valore di soglia TH programmato (blocco 65, uscita SI), lo stadio di avvio 8 genera un segnale di interrupt INT e la procedura di avvio viene interrotta (blocco 70). Se, invece, la soglia TH non à ̈ ancora stata raggiunta, lo stadio di forzamento 10, mantenuto attivo dallo stadio di avvio 8, fornisce un nuovo pacchetto di segnale di forzamento VFalla massa mobile 2b, che accelera (blocco 50).
Quando la frequenza attuale wAdel segnale di clock attuale CKAcade all’interno dell’intervallo di ammissibilità I (blocco 55, uscita SI), lo stadio di avvio 8 termina la procedura di avvio (blocco 75).
In questo modo, la durata della fase di avvio viene adattata alle specifiche caratteristiche del dispositivo 1 e alle attuali condizioni operative. Da un lato, quindi, il tempo di accensione e di ripristino della modalità operativa normale viene abbreviato. Il pacchetto di segnale di forzamento VFpuò infatti essere interrotto appena la frequenza di oscillazione dell’anello microelettromeccanico 5 à ̈ sufficientemente vicina alla frequenza di riferimento wRperché lo stadio di pilotaggio 6 sia in condizione di sostenere l’oscillazione autonomamente. Il vantaggio à ̈ particolarmente evidente all’uscita da condizioni di basso consumo, quando la massa mobile 2b non si à ̈ ancora arrestata e presenta oscillazioni residue. In questo caso, per ripristinare le condizioni di oscillazione normali à ̈ sufficiente trasferire alla massa mobile 2 minore energia.
Dall’altro lato, viene eliminato il rischio di collisioni fra la massa mobile 2b e lo statore 2a, perché il trasferimento di energia alla massa mobile 2b viene interrotto tempestivamente quando il regime di oscillazione nominale viene raggiunto. In questo modo, vengono evitate oscillazioni di ampiezza critica.
La figura 3 mostra una forma di realizzazione dell’invenzione, in cui un giroscopio 100 microelettromeccanico comprende una microstruttura 102, realizzata in materiale semiconduttore, un dispositivo di pilotaggio 103 e un dispositivo di rilevamento 105.
La microstruttura 102 à ̈ realizzata in materiale semiconduttore e comprende una struttura fissa 106, una massa di pilotaggio 107 e almeno una massa di rilevamento 108. Per semplicità , nella forma di realizzazione qui illustrata si farà riferimento al caso di un giroscopio monoassiale, in cui à ̈ presente una sola massa di rilevamento 108. Quanto di seguito descritto si applica tuttavia anche nel caso di giroscopi multiassiali, che comprendono due o più masse di rilevamento, per rilevare rotazioni secondo rispettivi assi indipendenti.
La massa di pilotaggio 107 à ̈ connessa elasticamente mediante sospensioni (non mostrate) alla struttura fissa 106 in modo da poter oscillare attorno a una posizione di riposo secondo un grado di libertà traslatorio o rotatorio. La massa di rilevamento 108 à ̈ meccanicamente accoppiata alla massa di pilotaggio 107 in modo da essere trascinata in moto secondo il grado di libertà della massa di pilotaggio 107 stessa. Inoltre, la massa di rilevamento 108 à ̈ connessa elasticamente alla massa di pilotaggio 107 in modo da oscillare a sua volta rispetto alla massa di pilotaggio 107 stessa, con un rispettivo ulteriore grado di libertà traslatorio o rotatorio. Nella forma di realizzazione qui descritta, in particolare, la massa di pilotaggio 107 à ̈ mobile linearmente lungo un asse di pilotaggio X, mentre la massa di rilevamento 108 à ̈ mobile rispetto alla massa di pilotaggio 107 secondo un asse di rilevamento Y perpendicolare all’asse di pilotaggio X. Si intende tuttavia che il tipo di movimento (traslatorio o rotatorio) consentito dai gradi di libertà e la disposizione degli assi di pilotaggio e di rilevamento possono variare secondo il tipo di giroscopio. Con riferimento ai movimenti della massa di pilotaggio 107 e della massa di rilevamento 108, inoltre, le espressioni “secondo un asse†e “in accordo a un asse†verranno utilizzate per indicare movimenti lungo un asse o attorno a un asse, secondo che i movimenti consentiti alle masse dai rispettivi gradi di libertà siano traslatori oppure rotatori, rispettivamente. Analogamente, le espressioni “secondo un grado di libertà †e “in accordo a un grado di libertà †saranno utilizzate per indicare movimenti traslatori o rotatori, come consentito dal grado di libertà medesimo.
Inoltre, la massa di pilotaggio 107 (con la massa di rilevamento 108) à ̈ collegata alla struttura fissa 106 in modo da definire un sistema meccanico risonante con una frequenza di risonanza (secondo l’asse di pilotaggio X).
Come mostrato schematicamente in figura 3, la massa di pilotaggio 107 à ̈ capacitivamente accoppiata alla struttura fissa 106 mediante gruppi capacitivi di pilotaggio 110 (capacitive driving units), e gruppi capacitivi di rilevamento di retroazione 112 (capacitive feedback sensing units). L’accoppiamento capacitivo à ̈ di tipo differenziale ed à ̈ determinato dalla posizione relativa della massa di pilotaggio 107 rispetto alla struttura fissa 106. In particolare, i gruppi capacitivi di pilotaggio 110 e i gruppi capacitivi di rilevamento di retroazione 112 sono accessibili dall’esterno della microstruttura 102 rispettivamente attraverso terminali di pilotaggio 113 e terminali di rilevamento di retroazione 114.
La massa di rilevamento 108 à ̈ capacitivamente accoppiata alla struttura fissa 106 mediante capacitivi gruppi di rilevamento di segnale 115 (capacitive signal sensing units), accessibili dall’esterno terminali di rilevamento di segnale 116. Anche in questo caso, l’accoppiamento capacitivo à ̈ di tipo differenziale ed à ̈ determinato dalla posizione relativa della massa di rilevamento 108 rispetto alla struttura fissa 106.
A titolo di esempio, ma non necessariamente, la microstruttura 102 può essere realizzata come descritto nel brevetto europeo EP-A-1 253 399 per un giroscopio monoassiale. La microstruttura di un giroscopio multiassiale potrebbe essere realizzata ad esempio come descritto in dettaglio nella domanda di brevetto europea pubblicata EP-A-100 832 841 e nella corrispondente domanda di brevetto statunitense pubblicata US 2007/0214883 A1.
Il dispositivo di pilotaggio 103 à ̈ collegato ai terminali di pilotaggio 113 e ai terminali di rilevamento di retroazione 114 della microstruttura 102 in modo da formare, con la massa di pilotaggio 107, un anello microelettromeccanico 119. Il dispositivo di pilotaggio 103 à ̈ configurato in modo da mantenere l’anello microelettromeccanico 119 in oscillazione a una frequenza di pilotaggio wDprossima alla frequenza di risonanza del sistema meccanico definito dalla massa di pilotaggio 107 (con la massa di rilevamento 108) collegata alla struttura fissa 106.
Il dispositivo di rilevamento 105 à ̈ collegato ai terminali di rilevamento 116 e converte segnali indicativi dello spostamento della massa di rilevamento 108 in un segnale di uscita SOUTindicativo della velocità di rotazione della microstruttura 102.
Più in dettaglio, il dispositivo di pilotaggio 103 comprende uno stadio di lettura e filtraggio 120, una amplificatore a guadagno variabile 121, un oscillatore 123, un comparatore 125, un circuito ad aggancio di fase o circuito PLL 126, un controllore 127, uno stadio di avvio 130 e uno stadio di forzamento 131.
Lo stadio di lettura e filtraggio 120 à ̈ collegato ai terminali di rilevamento di retroazione 114 della microstruttura 102 e fornisce un primo segnale di retroazione VFB1, indicativo delle condizioni di oscillazione della massa di pilotaggio 107. In particolare, il primo segnale di retroazione VFB1indicativo della velocità della massa di pilotaggio 107. In una diversa forma di realizzazione, il primo segnale di retroazione VFB1à ̈ indicativo della posizione della massa di pilotaggio 107. Inoltre, lo stadio di lettura e filtraggio 120 controlla la fase del primo segnale di retroazione VFB1in modo da garantire la condizione di oscillazione sulla fase per l’anello microelettromeccanico 119.
L’amplificatore a guadagno variabile 121 à ̈ accoppiato allo stadio di lettura e filtraggio 120 per ricevere il primo segnale di retroazione VFB1ed à ̈ selettivamente collegabile ai terminali di rilevamento di retroazione 114 della microstruttura 102 attraverso interruttori di bypass 128 (in effetti, fra l’amplificatore a guadagno variabile 121 e i terminali di rilevamento di retroazione 114 sono presenti sue linee di connessione e un interruttore di bypass 128 per ciascuna delle linee di connessione; per semplicità , in figura 3 à ̈ rappresentata una linea multipla con un solo interruttore).
L’oscillatore 123 à ̈ collegato allo stadio di avvio 130 per fornire un segnale di clock di riferimento CKR, costante e indipendente dalla frequenza di oscillazione della massa di pilotaggio 108. In particolare, il segnale di clock di riferimento CKRha frequenza calibrata a una frequenza di riferimento wR.
Il comparatore 125 à ̈ accoppiato allo stadio di lettura e filtraggio 120 per ricevere il primo segnale di retroazione VFB1ed à ̈ configurato per rilevare gli istanti di passaggio per lo zero (“zero-crossing†) dell’ingresso. In pratica, l’uscita del comparatore 125, che à ̈ collegata al circuito PLL 126 e allo stadio di avvio 130, fornisce un segnale di clock naturale CKNsincrono (in frequenza e fase) con le oscillazioni della massa di pilotaggio 108. Il circuito PLL 126 riceve il segnale di clock naturale CKNdal comparatore 125. Un’uscita del circuito PLL 126 à ̈ collegata a un ingresso di clock 127a del controllore 127 e fornisce un segnale di clock CK90, sfasato di 90° rispetto al segnale di clock naturale CKN. In pratica, il segnale di clock CK90commuta in presenza dei picchi del primo segnale di retroazione VFB1.
Il controllore 127, ad esempio un controllore PI o PID, riceve il primo segnale di retroazione VFB1e il segnale di clock CK90e controlla il guadagno dell’amplificatore a guadagno variabile 121 mediante un segnale di controllo VC, in modo da garantire la condizione di oscillazione sull’ampiezza per l’anello microelettromeccanico 119.
Lo stadio di avvio 130 à ̈ selettivamente attivabile in risposta a valori attivi alternativamente di un segnale di accensione POR o di un segnale di uscita da power-down PD. Quando attivato, lo stadio di avvio 130 disabilita il circuito PLL mediante un segnale di abilitazione selettiva PD_PLL e controlla lo stadio di forzamento 131 mediante un segnale di avvio SST, come descritto più avanti.
Lo stadio di forzamento 131 à ̈ collegabile fra l’uscita dell’amplificatore a guadagno variabile 121 e i terminali di pilotaggio 113 della microstruttura 102 attraverso interruttori di avvio 133, 134, controllati mediante un segnale di attuazione SC, fornito dallo stadio di avvio 130. Gli interruttori di bypass 128 (controllati dal segnale di attuazione negato SCN) permettono di collegare l’uscita dell’amplificatore a guadagno variabile 121 direttamente ai terminali di pilotaggio 113, escludendo lo stadio di forzamento 131. In particolare, gli interruttori di avvio 133, 134 sono comandati da un segnale di controllo SC, generato dallo stadio di avvio 130, mentre l’interruttore di bypass 128 à ̈ comandato dal segnale di controllo negato SCN.
Lo stadio di forzamento 131 à ̈ comandato dallo stadio di avvio 130 attraverso il segnale di avvio SST. In particolare, lo stadio di forzamento 131 à ̈ configurato per applicare alla massa di pilotaggio 107 pacchetti di segnale di forzamento VFdi durata controllata e programmata alla frequenza del segnale di clock di riferimento CKR, in risposta al segnale di avvio SST. La durata di ciascun pacchetto di segnale di forzamento VF(in pratica la durata del segnale sinusoidale o il numero di impulsi) e l’ampiezza di segnale determinano l’energia complessivamente trasferita alla massa di pilotaggio 107. I pacchetti di segnale di forzamento VFsono definiti in modo che l’energia trasferita alla massa di pilotaggio 107 da ciascun pacchetto sia inferiore all’energia necessaria a portare la massa mobile in oscillazione stabile alla frequenza di pilotaggio wDa partire da una condizione di quiete. In una forma di realizzazione, in particolare, i pacchetti di segnale di forzamento VFhanno una prima durata T1programmabile (figura 5), quando lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 sono attivati in risposta a un valore attivo del segnale di avvio POR; e una seconda durata T2, programmabile e minore della prima durata T1, quando lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 sono attivati in risposta a un valore attivo del segnale di uscita da power-down PD. Ad esempio, la prima durata T1à ̈ 10 ms e la seconda durata T2à ̈ 2 ms.
Il giroscopio 100 opera essenzialmente come già descritto per il dispositivo 1 di figura 1.
In una modalità operativa normale, lo stadio di lettura e filtraggio 120 e l’amplificatore a guadagno variabile 121 cooperano per mantenere in oscillazione l’anello microelettromeccanico 119 alla frequenza di pilotaggio wD, mentre lo stadio di forzamento 131 à ̈ escluso e inattivo.
In caso di rotazione attorno a un asse giroscopico, la massa di rilevamento 108 à ̈ soggetta a una accelerazione di Coriolis proporzionale alla velocità di rotazione, che viene trasdotta nel segnale di uscita SOUTdal dispositivo di rilevamento 105.
All’avvio del giroscopio 100 o all’uscita da condizioni di power-down, lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 vengono attivati. Contestualmente, gli interruttori di avvio 133, 134 e l’interruttore di bypass 128 commutano e il circuito PLL 126 viene disabilitato dallo stadio di avvio.
Lo stadio di avvio 130, attraverso il segnale di avvio SST, richiede allo stadio di forzamento di inviare un pacchetto di segnale di forzamento VFalla massa di pilotaggio 107, che inizia a oscillare con frequenza crescente. Nuovi pacchetti di segnale di forzamento VFvengono ripetutamente inviati fino a quando la frequenza del segnale di clock naturale CKN, che à ̈ uguale alla frequenza attuale wAdi oscillazione della massa di pilotaggio 107, rientra stabilmente in un intervallo di ammissibilità I attorno alla frequenza di riferimento wR, ad esempio I = wR± X%. In una forma di realizzazione, la condizione à ̈ considerata verificata se la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNpermane all’interno dell’intervallo di ammissibilità I per una terza durata T3, quando l’attivazione dello stadio di avvio 130 e dello stadio di forzamento 131 à ̈ determinata dal valore attivo del segnale di avvio POR; e se la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNpermane all’interno dell’intervallo di ammissibilità I per una quarta durata T4, minore della terza durata T3, quando l’attivazione dello stadio di avvio 130 e dello stadio di forzamento 131 à ̈ determinata dal valore attivo del segnale di uscita da power-down PD.
Quando la condizione à ̈ verificata, lo stadio di avvio 130 attiva il circuito PLL 126 mediante il segnale di abilitazione selettiva PD_PLL. Dopo un transitorio, il circuito PLL 126 si aggancia all’oscillazione della massa di pilotaggio 108. A questo punto, la modalità operativa normale viene ripristinata e lo stadio di avvio 130 e lo stadio di forzamento 131 vengono disattivati.
In pratica, lo stadio di avvio decide se applicare ulteriori pacchetti di segnale di forzamento VFalla massa di pilotaggio 107 in base al confronto fra la frequenza attuale wA, a cui oscilla l’anello microelettromeccanico 119, e la frequenza di riferimento wR. Se le due frequenze sono sufficientemente vicine e quindi il circuito PLL 126 à ̈ in condizione di agganciare rapidamente le oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 119, la sequenza di pacchetti di segnale di forzamento VFviene interrotta, diversamente viene proseguita.
Vantaggiosamente, in questo caso, il transitorio di aggancio del circuito PLL 126 viene drasticamente ridotto, oltre ad avere ridotto il tempo complessivo per mettere in oscillazione la massa di pilotaggio 107 e evitato rischi di collisione delle parti mobili della microstruttura 102 con la struttura fissa 106.
In figura 4 à ̈ illustrato più in dettaglio lo stadio di avvio 130, che comprende un modulo di verifica clock 135, un modulo di pilotaggio avviamento 136, un contatore di interrupt 137 e un modulo di controllo PLL 138.
Il modulo di verifica clock 135 à ̈ collegato al comparatore 125 e all’oscillatore 123 per ricevere rispettivamente il segnale di clock naturale CKNe il segnale di clock di riferimento CKRed à ̈ strutturato per verificare la permanenza del segnale di clock naturale CKNnell’intervallo di ammissibilità I. Il modulo di verifica clock 135 fornisce un segnale di aggancio clock CK_LOCK che ha un valore (logico) di aggancio, quando il segnale di clock naturale CKNà ̈ interno all’intervallo di ammissibilità I e un valore (logico) di frequenza asincrona in caso contrario.
Il modulo di pilotaggio avviamento 136 e il modulo di controllo PLL 138 sono accoppiati al modulo di verifica clock 135 per ricevere il segnale di aggancio clock CK_LOCK.
Il modulo di pilotaggio avviamento 136 fornisce il segnale di avvio SSTe assegna ad esso il valore attivo quando il segnale di aggancio clock CK_LOCK ha il valore di aggancio. Inoltre, al termine di ogni pacchetto di segnale di forzamento VFfornito dallo stadio di forzamento 131 durante uno stesso transitorio di avviamento del giroscopio 100, il modulo di pilotaggio avviamento 136 incrementa il contatore di interrupt 137.
Il contatore di interrupt 137, se viene raggiunta una soglia di conteggio TH, genera un segnale di interrupt INT che viene reso disponibile all’esterno del giroscopio 100 attraverso un terminale di interrupt 100a. In una forma di realizzazione, il segnale di interrupt INT viene generato attraverso una rete logica (qui non illustrata) associata al contatore di interrupt 137.
Il modulo di controllo PLL 138 imposta il valore del segnale di abilitazione selettiva PD_PLL. In particolare, quando il segnale di aggancio clock CK_LOCK ha il valore di frequenza asincrona (ossia quando il segnale di clock naturale CKNà ̈ al di fuori dell’intervallo di ammissibilità I), il segnale di abilitazione selettiva PD_PLL viene posto a un valore (logico) di disabilitazione, che porta il circuito PLL 126 in condizione inattiva (di power-down). Quando il segnale di aggancio clock CK_LOCK mantiene il valore di aggancio per una quinta durata T5(in caso di accensione del giroscopio 100) o una sesta durata T6(minore della quinta durata T5, in caso di uscita da condizione di power-down del giroscopio 100), il segnale di abilitazione selettiva PD_PLL viene posto a un valore (logico) di abilitazione, in presenza del quale il circuito PLL 126 à ̈ abilitato e opera normalmente.
La figura 5 mostra più in dettaglio il modulo di verifica clock 135, che comprende un primo contatore di clock 140, un secondo contatore di clock 141 e un elemento di abilitazione 143 e un comparatore di conteggio 145.
Il primo contatore di clock 140 ha un ingresso di conteggio accoppiato all’oscillatore 123 per ricevere il segnale di clock di riferimento CKRe memorizza un primo valore di conteggio C1. Inoltre, il primo contatore di clock 140 à ̈ provvisto di una rete logica sincronizzazione 144, che genera un segnale di sincronizzazione SSYNC. Il segnale di sincronizzazione SSYNCviene alimentato all’elemento di abilitazione 143 e al comparatore di conteggio 145 e ha un valore di abilitazione, quando il primo valore di conteggio C1memorizzato nel primo contatore di clock 140 à ̈ inferiore a un valore di controllo C1*. Quando il valore di controllo C1* viene raggiunto, il segnale di sincronizzazione SSYNCcommuta a un valore di disabilitazione e, inoltre, il primo contatore di clock 140 viene azzerato (reset).
Il secondo contatore di clock 141 ha un ingresso di conteggio accoppiato al comparatore 125, per ricevere il segnale di clock naturale CKN, e un ingresso di abilitazione collegato all’elemento di abilitazione 143. Il secondo contatore di clock 141 memorizza un secondo valore di conteggio C2, che viene incrementato a ogni ciclo del segnale di clock naturale CKNquando il secondo contatore di clock 141 à ̈ abilitato.
L’elemento di abilitazione 143 à ̈, ad esempio, un bistabile di tipo DT e riceve il segnale di sincronizzazione SSYNCsu un ingresso dato dal primo contatore di clock 140 e il segnale di clock naturale CKNsu un ingresso di temporizzazione dal comparatore 125. In questo modo, l’elemento di abilitazione 143 trasferisce il valore del segnale di sincronizzazione SSYNCall’ingresso di abilitazione del secondo contatore di clock 141, che quindi viene incrementato ad ogni ciclo del segnale di clock naturale CKN, fino a quando il segnale di sincronizzazione SSYNCpermane al valore di abilitazione (ossia finché il primo contatore di clock 140 raggiunge il valore di controllo C1*. Il segnale di temporizzazione naturale CKN sull’ingresso di temporizzazione dell’elemento di abilitazione 143 evita commutazioni spurie ed errori del secondo contatore di clock 141.
Il comparatore di conteggio 145 Ã ̈ accoppiato al primo contatore di clock 140, dal quale riceve anche il segnale di sincronizzazione SSYNC, e al secondo contatore di clock 141. Il comparatore di conteggio 145 fornisce in uscita il segnale di aggancio clock CK_LOCK e ne determina il valore come di seguito descritto.
Quando il primo contatore di clock 140 inizia un conteggio dopo essere stato azzerato, il segnale di sincronizzazione SSYNCcommuta al valore di abilitazione (figura 6). Il secondo contatore di clock 141 à ̈ abilitato e viene incrementato a ogni ciclo del segnale di clock naturale CKN, in modo indipendente rispetto al primo contatore di clock 140. Inoltre, la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNcresce via via, per effetto dei pacchetti di segnale di forzamento VFforniti dallo stadio di forzamento 131. L’aumento di frequenza del segnale di clock naturale CKNà ̈ illustrato in modo esagerato in figura 6.
Quando il primo contatore di clock 140 raggiunge il valore di controllo C1*, il segnale di sincronizzazione SSYNCcommuta al valore di disabilitazione e il valore finale di conteggio C2* memorizzato nel secondo contatore di clock 141 viene congelato.
Inoltre, il comparatore di conteggio 145 preleva il valore di controllo C1* e il valore finale di conteggio C2* rispettivamente dal primo contatore di clock 140 e dal secondo contatore di clock 141 e assegna un valore al segnale di aggancio clock CK_LOCK secondo che la condizione di aggancio:
C<1>* -C<2>*
£<X>
C1*
sia verificata o meno.
Più precisamente, se il valore di controllo C1* e il valore finale di conteggio C2* soddisfano la condizione di aggancio, al segnale di aggancio clock CK_LOCK viene assegnato il valore di aggancio. In questo caso, infatti, la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNà ̈ vicina alla frequenza di riferimento wRdel segnale di clock asincrono CKRe quindi alla frequenza di pilotaggio wD. In particolare, la frequenza attuale wAdel segnale di clock naturale CKNpermette al circuito PLL 126 di effettuare rapidamente l’aggancio di fase e quindi l’anello microelettromeccanico 119 à ̈ presto in condizione di autosostenere l’oscillazione.
In caso contrario, ossia se la disuguaglianza non à ̈ verificata, il comparatore di conteggio 145 assegna al segnale di aggancio clock CK_LOCK il valore di frequenza asincrona.
In figura 7 à ̈ illustrato il modulo di pilotaggio avviamento 136, che comprende un blocco generatore 150 e un elemento di memoria 151, in cui sono registrate la prima durata T1(durata di un singolo pacchetto di segnale di forzamento VFin fase di accensione) e la seconda durata T2(durata di uno singolo pacchetti di segnale di forzamento VFin fase di uscita da power-down). Come accennato, la durata di un singolo pacchetti di segnale di forzamento VFall’uscita da power-down (seconda durata T2) à ̈ inferiore alla durata di un singolo pacchetti di segnale di forzamento VFall’avvio (prima durata T1).
Il blocco generatore 150 à ̈ accoppiato al comparatore di conteggio 145 del modulo di verifica clock 130 per ricevere il segnale di aggancio clock CK_LOCK e, selettivamente in presenza del valore di frequenza asincrona del segnale di aggancio clock CK_LOCK, fornisce il segnale di avvio SSTper lo stadio di forzamento 131. Il valore di durata del pacchetti di segnale di forzamento VFviene fornito dall’elemento di memoria 151 in base ai valori del segnale di avvio POR e del segnale di uscita da power-down PD.
In figura 8 à ̈ illustrata una porzione di un sistema elettronico 200 in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione. Il sistema 200 incorpora un dispositivo microelettromeccanico (ad esempio, ma non necessariamente, il giroscopio 100) e può essere utilizzato in dispositivi come, ad esempio, un calcolatore palmare (personal digital assistant, PDA), calcolatore “laptop†o portatile, eventualmente con capacità “wireless†, un telefono cellulare, un dispositivo di messaggistica, un lettore musicale digitale, una camera digitale o altri dispositivi atti a elaborare, immagazzinare, trasmettere o ricevere informazioni. Ad esempio, il giroscopio 1 può essere utilizzato in una camera digitale per rilevare movimenti ed effettuare una stabilizzazione di immagine. In altre forme di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incluso in un calcolatore portatile, un PDA, o un telefono cellulare per rilevare una condizione di caduta libera e attivare una configurazione di sicurezza. In un’ulteriore forma di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incluso in un’interfaccia utente attivata da movimento per calcolatori o console per videogiochi. In un’ulteriore forma di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incorporato in un dispositivo di navigazione satellitare ed à ̈ utilizzato per il tracciamento temporaneo di posizione in caso di perdita del segnale di posizionamento satellitare.
Il sistema elettronico 200 può comprendere un controllore 210, un dispositivo di ingresso/uscita (I/O) 220 (ad esempio una tastiera o uno schermo), il giroscopio 1, un’interfaccia “wireless†240 e una memoria 260, di tipo volatile o non volatile, accoppiati fra loro attraverso un bus 250. in una forma di realizzazione, una batteria 280 può essere utilizzata per alimentare il sistema 200. Si noti che l’ambito della presente invenzione non à ̈ limitato a forme di realizzazione aventi necessariamente uno o tutti i dispositivi elencati.
Il controllore 210 può comprendere, ad esempio, uno o più microprocessori, microcontrollori e simili.
Il dispositivo di I/O 220 può essere utilizzato per generare un messaggio. Il sistema 200 può utilizzare l’interfaccia wireless 240 per trasmettere e ricevere messaggi a e da una rete di comunicazione wireless con un segnale a radiofrequenza (RF). Esempi di interfaccia wireless possono comprendere un’antenna, un ricetrasmettitore wireless, come un’antenna a dipolo, benché l’ambito della presente invenzione non sia limitato sotto questo aspetto. Inoltre, il dispositivo I/O 220 può fornire una tensione rappresentativa di ciò che à ̈ memorizzato sia in forma di uscita digitale (se sono state immagazzinate informazioni digitali), sia in forma di informazione analogica (se sono state immagazzinate informazioni analogiche).
Risulta infine evidente che al metodo e al dispositivo descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definita nelle rivendicazioni allegate.
Claims (17)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo microelettromeccanico comprendente: un corpo (2a; 106); una massa mobile (2b; 107), elasticamente connessa al corpo (6; 106) e mobile in modo oscillante rispetto al corpo (6; 106) in accordo a un grado di libertà ; un dispositivo di pilotaggio (6; 120, 121, 125, 126, 127) accoppiato alla massa mobile (2b; 107) in modo da formare un anello microelettromeccanico (5; 119) e configurato per mantenere la massa mobile (2b; 107) in oscillazione con una frequenza di lavoro (wD) stabile in una modalità operativa normale; caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di avvio (7, 8, 10; 123, 130, 131) attivabile in una modalità operativa di avvio e configurato per confrontare una frequenza di oscillazione attuale (wA) della massa mobile (2b; 107) con una frequenza di riferimento (wR) e per decidere, in base al confronto fra la frequenza di oscillazione attuale (wA) e la frequenza di riferimento (wR), se fornire alla massa mobile (2b; 107) un pacchetto di segnale di forzamento (VF), in modo da trasferire energia alla massa mobile (2b; 107).
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo di avvio (7, 8, 10; 123, 130, 131) à ̈ configurato per fornire alla massa mobile (2b; 107) un pacchetto di segnale di forzamento (VF) quando la frequenza di oscillazione attuale (wA) à ̈ esterna a un intervallo di ammissibilità (I) contenente la frequenza di riferimento (wR)
- 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui: il dispositivo di pilotaggio (6; 120, 121, 125, 126, 127) à ̈ configurato per fornire un primo segnale (CKA; CKN) avente la frequenza di oscillazione attuale (wA) dell’anello microelettromeccanico (5; 119); il dispositivo di avvio (7, 8, 10; 123, 130, 131) comprende uno stadio di avvio (8; 130) e un oscillatore (7; 123) configurato per fornire un secondo segnale (CKR) avente la frequenza di riferimento (wR); e lo stadio di avvio (8; 130) à ̈ accoppiato al dispositivo di pilotaggio (6; 120, 121, 125, 126, 127) e all’oscillatore (7; 123) per ricevere rispettivamente il primo segnale (CKA; CKN) e il secondo segnale (CKR) ed à ̈ inoltre configurato per confrontare la frequenza di oscillazione attuale (wA) con la frequenza di riferimento (wR).
- 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il dispositivo di avvio (7, 8, 10; 123, 130, 131) comprende uno stadio di forzamento (10; 131) per fornire alla massa mobile (2b; 107) pacchetti di segnale di forzamento (VF) in risposta a un segnale di avvio (SST) dallo stadio di avvio (8; 130).
- 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui lo stadio di avvio (8; 130) à ̈ configurato per fornire il segnale di avvio (SST) quando la frequenza di oscillazione attuale (wA) à ̈ esterna all’intervallo di ammissibilità (I) contenente la frequenza di riferimento (wR).
- 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui lo stadio di avvio (130) comprende: un primo contatore (140), accoppiato al dispositivo di pilotaggio (120, 121, 125, 126, 127) per ricevere il primo segnale (CKN); un secondo contatore (141), accoppiato all’oscillatore (123) per ricevere il secondo segnale (CKR); mezzi di abilitazione (143, 144), configurati per abilitare il secondo contatore (141) quando un valore di conteggio (C1) memorizzato nel primo contatore (140) à ̈ inferiore a un valore di controllo (C1*), e un valore di disabilitazione quando il valore di controllo (C1*) viene raggiunto; e un comparatore di conteggio (145), configurato per prelevare il valore di controllo (C1*) dal primo contatore (140) e un valore finale di conteggio (C2*) dal secondo contatore (141), quando il primo contatore (140) raggiunge il valore di controllo (C1*), e per confrontare il valore di controllo (C1*) e il valore finale di conteggio (C2*).
- 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui il comparatore di conteggio (145) Ã ̈ configurato per fornire un segnale di aggancio clock (CK_LOCK) avente un valore di aggancio, quando il valore di controllo (C1*) e il valore finale di conteggio (C2*) soddisfano una condizione di aggancio, e un valore di frequenza asincrona altrimenti.
- 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la condizione di aggancio à ̈ soddisfatta quando C<1>* -C<2>* £<X> C1* dove C1* à ̈ il valore di controllo, C2* à ̈ il valore finale di conteggio e X à ̈ un numero.
- 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 8, in cui il dispositivo di pilotaggio (120, 121, 125, 126, 127) comprende un circuito PLL (126).
- 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui lo stadio di avvio (8; 130) à ̈ configurato per disabilitare il circuito PLL (126) quando la frequenza di oscillazione attuale (wA) à ̈ esterna all’intervallo di ammissibilità (I) contenente la frequenza di riferimento (wR) e per abilitare il circuito PLL (126) altrimenti.
- 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i pacchetti di segnale di forzamento (VF) hanno durata controllata.
- 12. Giroscopio microelettromeccanico comprendente un dispositivo microelettromeccanico (1; 100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
- 13. Sistema comprendente un dispositivo microelettromeccanico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, e un’unità di controllo (210) esterna al dispositivo microelettromeccanico (1) e ad esso accoppiata.
- 14. Metodo per controllare un dispositivo microelettromeccanico (1; 100) avente un corpo (2a; 106) e una massa mobile (2b; 107), elasticamente connessa al corpo (6; 106) e mobile rispetto al corpo (6; 106) in accordo a un grado di libertà ; il metodo comprendendo: confrontare una frequenza di oscillazione attuale (wA) della massa mobile (2b; 107) con una frequenza di riferimento (wR); e decidere, in base al confronto fra la frequenza di oscillazione attuale (wA) e la frequenza di riferimento (wR), se fornire alla massa mobile (2b; 107) un pacchetto di segnale di forzamento (VF), in modo da trasferire energia alla massa mobile (2b; 107).
- 15. Metodo secondo la rivendicazione 13, comprendente fornire alla massa mobile (2b; 107) un pacchetto di segnale di forzamento (VF) quando la frequenza di oscillazione attuale (wA) à ̈ esterna a un intervallo di ammissibilità (I) contenente la frequenza di riferimento (wR).
- 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, comprendente interrompere l’invio di pacchetti di segnale di forzamento (VF) quando la frequenza di oscillazione attuale (wA) à ̈ interna all’intervallo di ammissibilità (I).
- 17. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 14 a 16, in cui i pacchetti di segnale di forzamento (VF) hanno durata controllata.
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