ITTO20010699A1 - Metodo e circuito di rilevamento di spostamenti tramite sensori micro-elettro-meccanici con compensazione di capacita' parassite e di movime - Google Patents

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Andrea Baschirotto
Ernesto Lasalandra
Tommaso Ungaretti
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un circuito di rilevamento di spostamenti tramite sensori micro-elettro-meccanici con compensazione di capacità parassite e di movimenti spuri.
Come è noto, l'impiego di sensori di tipo microelettro-meccanico, o sensori MEMS (dall'inglese "Micro-Electro -Mecianica l System"), a sbilanciamento capacitivo differenziale è stato proposto per realizzare, ad esempio, accelerometri lineari o rotazionali e sensori di pressione.
In particolare, i sensori MEMS del tipo indicato comprendono un corpo fisso (statore) e una massa mobile, generalmente di materiale semiconduttore opportunamente drogato, fra loro collegati mediante elementi elastici (molle) e vincolati in modo che la massa mobile abbia, rispetto allo statore, gradi di libertà prefissati, traslatori e/o rotatori. Inoltre, lo statore e la massa mobile presentano una pluralità di bracci fissi e, rispettivamente, mobili, fra loro interdigitati. In pratica, ogni braccio fisso è interposto fra una coppia di bracci mobili, in modo da formare una coppia di condensatori aventi un terminale in comune e capacità dipendente dalla posizione relativa dei bracci stessi, ossia dalla posizione relativa della massa mobile rispetto allo statore. Quando il sensore viene sollecitato, la massa mobile si sposta e si verifica uno sbilanciamento nelle capacità dei condensatori.
A seconda del tipo di struttura e del tipo movimento relativo permesso fra massa mobile e statore, è possibile realizzare sensori MEMS di tipo lineare, rotazionale, a variazione di interspazio (distanza fra ciascun braccio mobile e i rispettivi bracci fissi) e/o a variazione di affaccio (variazione dell'area di reciproco affacciamento fra i bracci mobili e i rispettivi bracci fissi).
In tutti i casi citati, la lettura del sensore (ossia il rilevamento di una grandezza elettrica rappresentativa della variazione di capacità dei condensatori) comporta dei problemi per la presenza di capacità parassite (capacità di "pad" e di substrato). La precisione della lettura è limitata anche da un altro problema, causato da movimenti spuri, non coerenti cioè con i gradi di libertà previsti e dovuti alla non idealità dei vincoli meccanici.
Per maggiore chiarezza, si faccia riferimento alle figure 1 e 2, in cui è illustrato un sensore MEMS 1 di tipo lineare; quanto verrà di seguito esposto è comunque valido per sensori MEMS di qualsiasi tipo.
In dettaglio, il sensore 1 comprende uno statore 2 e un massa mobile 3, fra loro collegati mediante molle 4 in modo che la massa mobile 3 possa traslare parallelamente a un primo asse di riferimento X, mentre è sostanzialmente fissa rispetto a un secondo e a un terzo asse di riferimento Y, Z. Il sensore 1 è inoltre simmetrico rispetto a un asse longitudinale parallelo al primo asse di riferimento X.
Lo statore 2 e la massa mobile 3 sono provvisti di una pluralità di primi e secondi bracci fissi 5', 5" e, rispettivamente, di una pluralità di bracci mobili 6, estendentisi sostanzialmente paralleli al piano Y-Z.
Come mostrato in dettaglio in figura 2, ogni braccio mobile 6 è compreso fra due rispettivi bracci fissi 5', 5", ai quali è parzialmente affacciato. Di conseguenza, il braccio mobile 6 forma con i due bracci fissi 5', 5" un primo e, rispettivamente, un secondo condensatore di lettura 8, 9 a facce piane parallele. In particolare, l'area delle armature dei condensatori di lettura 8, 9 è pari all'area di affaccio A dei bracci mobile 6 e dei bracci fissi 5', 5". In particolare, l'area di affaccio A è sostanzialmente un rettangolo di lati Ly, Lz.
Il primo e il secondo condensatore dì lettura 8, 9 hanno una prima e, rispettivamente, una seconda capacità di lettura Ca, Cb, date dalle espressioni:
(1)
(2)
dove XI, X2 sono le distanze fra il braccio mobile 6 e il primo e, rispettivamente, il secondo braccio fisso 5', 5" di figura 2 e ε è la costante dielettrica dell'aria.
Nel sensore 1, tutte le capacità di lettura Ca formate fra i bracci mobili 6 e i primi bracci fissi 5' sono fra loro in parallelo; analogamente tutte le capacità di lettura Cb formate fra i bracci mobili 6 e i secondi bracci fissi 5" sono fra loro in parallelo. Di conseguenza, fra lo statore 3 e la massa mobile 4 sono complessivamente presenti due capacità, pari a C1 = N*Ca e, rispettivamente, a C2 = N*Cb, con N numero di bracci mobili 6 del sensore 1. Definendo come capacità di lettura comune Cs del sensore 1 il valore delle capacità C1, C2 a riposo, si ha:
(3)
In seguito a un movimento della massa mobile 4 puramente lungo l'asse X, le capacità di lettura Cl, C2 presentano variazioni di segno opposto e in valore assoluto uguali e pari a uno sbilanciamento capacitivo ΔCs .
Più in dettaglio, supponendo per semplicità che le distanze XI, X2 siano inizialmente uguali e pari a una distanza a riposo X0, dalle equazioni (1)—(3) risulta che la componente ΔCsx dello sbilanciamento capacitivo ΔCs secondo il primo asse di riferimento X è data dal-1 'espressione:
(4)
dove ΔΧ è lo spostamento della massa mobile 4 lungo-il primo asse di riferimento X.
In presenza di uno spostamento spurio ΔΥ parallelo al secondo asse di riferimento Y, lo sbilanciamento capacitivo ACs presenta una componente ACsy data dal-1 'espressione:
(5)
Eventuali spostamenti spuri ΔΖ lungo il terzo asse di riferimento Z sono invece compensati grazie alla simmetria assiale del sensore MEMS 1.
Mentre lo sbilanciamento introdotto dallo spostamento ΔΧ è di tipo differenziale ed è di per sé adatto a essere rilevato mediante un amplificatore operazionale di lettura con topologia completamente differenziale (si veda, ad esempio, l’articolo "A Three-Axis Micromachined Accelerometer with a CMOS Position-Sense Interface and Digital Offset-Trim Electronics" di M. Lemkin, B. Boser, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Voi.
34, N. 4, pagg. 456-468), lo spostamento ΔΥ introduce una sensibile variazione di modo comune della capacità di lettura comune Cs, in quanto causa una variazione dell'area di affaccio A (figura 2).
Dato che, mediante gli amplificatori operazionali di lettura, viene rilevata una tensione direttamente proporzionale allo sbilanciamento capacitivo ACs, che è a sua volta direttamente proporzionale alla capacità di lettura comune Cs, la variazione di modo comune dovuta allo spostamento ΔΥ introduce un significativo errore di lettura.
Per superare tale inconveniente, un metodo e un circuito per la lettura di sensori MEMS sono stati proposti nella domanda di brevetto italiano T02001A000157, depositata il 21 febbraio 2001 a nome della stessa richiedente.
Tale domanda di brevetto verrà brevemente descritta con riferimento alla figura 3, in cui il sensore MEMS 1 è schematizzato mediante un primo e un secondo condensatore di lettura equivalente 11, 12, aventi capacità pari alla prima e, rispettivamente, alla seconda capacità di lettura Cl, C2 e presentanti primi terminali collegati a un primo e, rispettivamente, un secondo nodo di lettura 13, 14 e secondi terminali collegati a un nodo comune 15. In figura 3 le capacità parassite del sensore MEMS 1 sono schematizzate mediante condensatori parassiti 17, 18 collegati fra i nodi di lettura 13, rispettivamente 14 e massa.
Il circuito dì lettura 30 comprende un amplificatore operazionale di lettura 20, uno stadio di retroazione 21, uno stadio di compensazione 31 e un generatore di segnale 60, collegabile al nodo comune 15 mediante un primo ingresso di un selettore 61 e fornente una tensione di lettura Vs.
In sintesi, l'amplificatore operazionale di lettura 20, presentante topologia completamente differenziale, ha i propri ingressi collegati al primo e, rispettivamente, al secondo nodo di lettura 13, 14, è in configurazione di integratore di carica e fornisce una tensione di uscita Vo.
Lo stadio di retroazione 21 comprende un circuito amplificatore 25 e un primo e un secondo condensatore di retroazione 26, 27, aventi primi terminali collegati a un'uscita 25a del circuito amplificatore 25 e secondi terminali collegati al primo e, rispettivamente, al secondo nodo di lettura 13, 14. Il circuito amplificatore 25 presenta ingressi differenziali collegati al primo e, rispettivamente, al secondo nodo di lettura 13, 14, riceve su un ingresso di riferimento 25b una tensione di riferimento VREF e fornisce sulla propria uscita 25a una tensione di retroazione VFB.
Lo stadio di compensazione 31 presenta un ingresso, collegato all'uscita 25a del circuito amplificatore 25, e un'uscita 31a, collegabile al nodo comune 15c attraverso un secondo ingresso 61 del selettore 61. Inoltre, lo stadio di compensazione 31 fornisce una tensione di compensazione Ve, legata alla capacità di lettura comune Cs del sensore MEMS 1 da una relazione approssimata di proporzionalità inversa, come spiegato più avanti .
Lo stadio di compensazione 31 comprende un condensatore di memoria 32, uno stadio di disaccoppiamento 34, preferibilmente formato da un amplificatore operazionale in configurazione dì inseguitore, e un amplificatore invertente 35.
Il condensatore di memoria 32 presenta un primo terminale collegato a massa e un secondo terminale alternativamente collegabile all'uscita 25a del circuito amplificatore 25 e allo stadio di disaccoppiamento 33, mediante un primo e, rispettivamente, un secondo interruttore 36, comandati in controfase.
L'amplificatore invertente 35 presenta terminale di ingresso 35a collegato all'uscita dello stadio di disaccoppiamento 33 e terminale di uscita formante l'uscita 31a dello stadio di compensazione 31 e fornente la tensione di compensazione Ve.
Il circuito di lettura 10 sfrutta il fatto che la capacità di lettura comune Cs è legata, in prima approssimazione, alla tensione di compensazione Ve tramite una relazione di proporzionalità inversa.
Infatti, quando alla massa mobile 4 viene fornita la tensione di lettura Vs (avente valore costante), la tensione di retroazione VFB fornita dal circuito amplificatore 25 assume un valore direttamente proporzionale alla capacità di lettura complessiva Cs, al pari della tensione di uscita Vo. In due successive fasi, la tensione di retroazione VFB viene memorizzata e quindi trasferita all'amplificatore operazionale di compensazione 35. Dato che il guadagno G dell'amplificatore invertente 35 è negativo e le variazioni della capacità di lettura comune Cs dovute agli spostamenti spuri ΔΥ sono dell'ordine dei femtoFarad, l'andamento della tensione di compensazione Ve rispetto a variazioni della capacità di lettura comune Cs è un'approssimazione al primo ordine di una relazione di proporzionalità inversa (si veda la figura 4, in cui è mostrata anche una curva Vc' inversamente proporzionale alla capacità di lettura co-mune Cs) . In altre parole, in un prefissato intorno I di un valore di risposo CsO della capacità di lettura comune Cs è corretto assumere
(6)
dove K è una costante di proporzionalità.
La tensione di compensazione così ottenuta viene alimentata al nodo comune 15. In questa fase, la ten-sione di uscita Vo è data dalla seguente relazione:
(7)
Poiché, in base alle equazioni (4), (5), lo sbilanciamento capacitivo ΔCs è dato da:
(8)
ia tensione di uscita Vo risulta sostanzialmente indipendente dalla capacità di lettura comune Cs. Infatti, combinando le equazioni (7) e (8) si ottiene:
(9)
Il circuito di lettura 10 presenta comunque alcune limitazioni, principalmente dovute al fatto che viene effettuata un'approssimazione al primo ordine. A seguito di tale approssimazione, infatti, possono verificarsi errori di linearità, specialmente quando i movimenti spuri della massa mobile 4 sono di entità rilevante. In questo caso, la compensazione dei movimenti spuri può essere imprecisa e, inoltre, vengono introdotte distorsioni che degradano le prestazioni del circuito di lettura .
In secondo luogo, occorre introdurre un apposito stadio di compensazione, che comporta un considerevole aumento dell'ingombro complessivo del circuito.
Scopo della presente invenzione è superare gli inconvenienti descritti.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un metodo ed un circuito di rilevamento di spostamenti tramite un sensore micro-elettro-meccanico, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 14.
Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne vengono ora descritte due forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 è una vista prospettica di un sensore micro-elettro-meccanico;
- la figura 2 è una vista prospettica di un dettaglio del sensore di figura 1, ingrandito;
- la figura 3 è uno schema circuitale semplificato di circuito di lettura per un sensore micro-elettromeccanico oggetto di una domanda di brevetto precedente;
- la figura 4 è un grafico relativo a grandezze presenti nel circuito di figura 3;
- le figura 5-7 mostrano schemi circuitali di un circuito di lettura per un sensore micro-elettromeccanico secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione, in differenti configurazioni operative; e
- le figure 8 e 9 mostrano schemi circuitali di un circuito di lettura per un sensore micro-elettromeccanico in una seconda forma di realizzazione della presente invenzione, in differenti configurazioni operative.
Con riferimento alle figure 5-7, è indicato con il numero 100 un circuito di lettura per un sensore MEMS 101, qui del tipo a ingressi differenziali. Il sensore MEMS 101, di per sé noto e avente uno statore 2 e una massa mobile 3 come mostrato nelle figure 1 e 2, presenta un primo e un secondo terminale di ingresso 102, 103, collegati alla massa mobile 3, e un primo e un secondo terminale di uscita 104, 105, collegati allo statore 2, ed è schematizzabile mediante quattro condensatori di lettura equivalenti 107-110. In dettaglio, un primo condensatore di lettura equivalente 107, avente capacità Cll, è collegato fra il primo terminale di ingresso 102 e il primo terminale di uscita 104; un secondo condensatore di lettura equivalente 108, avente capacità C12, è collegato fra il primo terminale di ingresso 102 e il secondo terminale di uscita 105; un terzo condensatore di lettura equivalente 109, avente capacità C21, è collegato fra il secondo terminale di ingresso 103 e il primo terminale di uscita 104; e un quarto condensatore di lettura equivalente 110, avente capacità C22, è collegato fra il secondo terminale di ingresso 103 e il secondo terminale di uscita 105.
Inoltre, in condizioni di riposo, le capacità dei sensori sono tutte pari a una capacità di lettura comune Cs; quando invece il sensore MEMS 101 viene sollecitato, si genera uno sbilanciamento capacitivo ACs, de-finito dalle equazioni (4) e (5), e le capacità dei condensatori di lettura equivalenti 107-110 sono date dalle relazioni:
C11 = C22 = Cs ACs (10)
C12 = C21 = Cs - ACs (11)
Il circuito di lettura 100 comprende un amplificatore operazionale di lettura 111, avente topologia completamente differenziale, uno stadio di pilotaggio 112, uno stadio di retroazione 114 e almeno una linea di riferimento 115, fornente una tensione di riferimento Vref.
L'amplificatore operazionale di lettura 111 ha un ingresso non invertente e un ingresso invertente, collegati al primo e, rispettivamente, al secondo terminale di uscita 104, 105 del sensore MEMS 101; e un'uscita invertente 111a e un'uscita non invertente lllb, fra le quali è presente una tensione di uscita Vo. Inoltre, un primo interruttore di retroazione 116 è collegato fra gli ingressi dell'amplificatore operazionale 111. Un primo condensatore di integrazione 117 è collegato fra l'ingresso non invertente e l'uscita invertente llla e un secondo condensatore di integrazione 118 è collegato fra l'ingresso invertente e l'uscita non invertente lllb dell'amplificatore operazionale di lettura 111, che è perciò in configurazione di integratore di carica. Entrambi i condensatori di integrazione 117, 118 hanno capacità di integrazione Ci.
Lo stadio di pilotaggio 112 comprende un circuito generatore di segnale 120, avente un'uscita 120a fornente una tensione di lettura Vs a gradino di ampiezza e durata prefissata; e una coppia di condensatori di pilotaggio 121, 122 aventi capacità di pilotaggio Cd e presentanti primi terminali in comune, collegati all'uscita 120a del circuito generatore di segnale 120, e secondi terminali collegati agli ingressi non invertente e, rispettivamente, invertente dell'amplificatore operazionale di lettura 111.
Lo stadio di retroazione 114 comprende un amplificatore operazionale di retroazione 124 e un condensatore di mantenimento ("holding") 125, avente capacità di mantenimento Ch.
L'amplificatore operazionale di retroazione 124 presenta ingresso non invertente 124a collegato alla linea di riferimento 115; ingresso invertente 124b collegato al secondo terminale di uscita 105 del sensore MEMS 101, attraverso un secondo interruttore di retroazione 128, e alla linea di riferimento 115, attraverso un primo interruttore di alimentazione 126; e uscita 124c fornente una tensione di compensazione Ve. Un secondo interruttore di inizializzazione 127 è collegato fra la linea di riferimento 115 e il secondo terminale di uscita 105 del sensore MEMS 101. Inoltre, l'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 è collegata alla linea di riferimento 115 attraverso un terzo interruttore di inizializzazione 140; e al primo e al secondo terminale di ingresso 102, 103 del sensore MEMS 101 attraverso un primo e, rispettivamente, un secondo interruttore di pilotaggio 129, 130. A loro volta, il primo e il secondo terminale di ingresso 102, 103 del sensore MEMS 101 sono collegati alla linea di riferimento 115 attraverso un terzo e un quarto interruttore di pilotaggio 131, 132.
Il condensatore di mantenimento 125 ha un primo terminale collegato all'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 e un secondo terminale selettivamente collegabile alla linea di riferimento 115, attraverso un primo interruttore di mantenimento 134, e all'ingresso invertente 124b dell'amplificatore operazionale di retroazione 124, attraverso un secondo interruttore di mantenimento 135.
Il funzionamento del circuito di lettura 100 è il seguente. In primo luogo, viene effettuata una fase di inizializzazione, durante la quale gli interruttori di inizializzazione 126, 127, 140, di retroazione 116, 128, il terzo e il quarto interruttore di pilotaggio 131, 132 e il primo interruttore di mantenimento 134 sono chiusi, mentre il primo e il secondo interruttore di pilotaggio 129, 130 e il secondo interruttore di mantenimento 135 vengono aperti (figura 5). Di conseguenza, i terminali di ingresso 102, 103 e di uscita 104, 105 del sensore MEMS 101 e gli ingressi 124a, 124b dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 sono posti alla tensione di riferimento Vref. Anche la tensione di compensazione Ve presente sull'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 è inizialmente pari alla tensione di riferimento Vref.
Successivamente, viene rilevata e memorizzata la capacità di lettura comune Cs. In dettaglio, figura 6, gli interruttori di inizializzazione 126, 127, 140 e il terzo interruttore di pilotaggio 131 vengono aperti, mentre il primo interruttore dì pilotaggio 129 viene chiuso. In questo modo, viene chiuso un anello di retroazione negativa 136 formato dall'amplificatore operazionale di retroazione 124 e dal primo e dal secondo condensatore di lettura equivalente 107, 108. Inoltre, l'amplificatore operazionale di retroazione 124 è in configurazione di amplificatore invertente: in particolare, i condensatori di pilotaggio 121, 122 e di lettura 107, 108 formano elementi di ingresso e, rispettivamente, di retroazione dell'amplificatoreinvertente.
Subito dopo la commutazione degli interruttori 126, 127, 140, 129 e 131, il circuito generatore di segnale 120 genera un gradino di tensione di ampiezza Vs, che viene fornito all'ingresso 124b dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 attraverso i condensatori di pilotaggio 121, 122 e, per la presenza dell'anello di retroazione negativa 136, determina una variazione della tensione di compensazione AVc data dalla relazione
(13)
In questa fase, infatti, il primo e il terzo condensatori di lettura equivalente 107, 109 sono collegati in parallelo fra loro, così come il primo e il secondo condensatore di pilotaggio 121, 122 (il primo interruttore di retroazione 116 è ancora chiuso). Pertan-to, la capacità complessivamente presente fra l'uscita 120a del circuito generatore di segnale 120 e l'ingresso invertente 124b dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 è pari a 2Cd, mentre la capacità complessivamente presente fra l'ingresso invertente 124b e l'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124, in base alle equazioni (10) e (11), è data dalla relazione:
(14)
La tensione di compensazione Ve (inizialmente pari a Vref) si porta e si mantiene a un valore di pilotag-gio Vcd dato dall'equazione:
(15)
In pratica, la variazione della tensione di compensazione AVc, che è inversamente proporzionale alla capacità di lettura comune Cs, come mostrato dalla relazione (13), viene memorizzata dal condensatore di mantenimento 125. Inoltre, tale valore di tensione di pilotaggio Vcd è presente anche sul primo terminale di ingresso 102 del sensore MEMS 101, che è direttamente collegato all'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124.
In seguito, viene rilevato lo sbilanciamento capacitivo ΔCs. In particolare, il gradino di tensione di lettura Vs termina e gli interruttori di retroazione 116, 128, il primo interruttore di mantenimento 134 e il primo e il quarto interruttore di pilotaggio 129, 132 si aprono, mentre il secondo interruttore di mantenimento 135, il secondo e il quarto interruttore di pilotaggio 130, 131 vengono comandati in chiusura (figura 7) . Dato che il secondo interruttore di retroazione 128 è aperto, l'anello di retroazione negativa 136 è aperto; inoltre, la commutazione degli interruttori di mantenimento 134, 135 permette di collegare il condensatore di mantenimento 125 in retroazione fra l'ingresso invertente 124b e l'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124. In questo modo, la carica presente sul condensatore di mantenimento 125 viene conservata e quindi la tensione di compensazione Vc sull'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 viene mantenuta al valore dì pilotaggio Vcd.
Inoltre, la tensione di compensazione Vc viene utilizzata per pilotare il sensore MEMS 101. In dettaglio, l'uscita 124c dell'amplificatore operazionale di retroazione 124 viene scollegata dal primo terminale di ingresso 102 e collegata al secondo terminale di ingresso 103 del sensore MEMS 101. Di conseguenza, la tensione sul primo terminale di ingresso 102 del sensore MEMS 101 passa dal valore di pilotaggio Vcd al valo-re della tensione di riferimento Vref; viceversa, la tensione sul secondo terminale di ingresso 103 passa dal valore della tensione di riferimento Vref al valore di pilotaggio Vcd. In altre parole, ai terminali di ingresso 102, 103 del sensore MEMS 101 vengono applicati contemporaneamente gradini di tensione dì segno opposto e di ampiezza pari alla variazione della tensione di compensazione ΔVc, quindi inversamente proporzionale alla capacità di lettura comune Cs.
Grazie a tale relazione di proporzionalità_ inversa, la tensione di uscita Vo, in questa fase, è data dalla seguente relazione, analoga all'equazione (7):
(16)
in cui A è una costante.
Come già discusso in precedenza, in particolare con riferimento alle equazioni(8) e (9), la tensione di uscita Vo è indipendente dalla capacità di lettura comune Cs, dato che lo sbilanciamento capacitivo ΔCs è direttamente proporzionale alla capacità di lettura comune Cs stessa, e quindi gli errori dovuti a movimenti spuri della massa mobile del sensore MEMS 101 sono sostanzialmente eliminati.
Inoltre, l'impiego di tensioni a gradino di uguale ampiezza e segno opposto per pilotare il sensore MEMS 101 permette di mantenere costante il modo comune delle tensioni presenti sui terminali di uscita 104, 105, del sensore MEMS 101 stesso, rendendo ininfluenti le capacita parassite ad essi associate (qui non illustrate).
Le figure 8 e 9, nelle quali parti uguali a quelle già mostrate sono dotate degli stessi numeri di riferimento, mostrano una diversa forma dì realizzazione dell'invenzione, secondo la quale un circuito di lettura 150 per un sensore MEMS 151 comprende l'amplificatore operazionale di lettura 111, in configurazione di integratore di carica-*— la linea di riferimento 115, il circuito generatore di segnale 120, una linea di polarizzazione 165, fornente una tensione di polarizzazione Vb, e uno stadio di retroazione 152.
Il sensore MEMS 151, qui del tipo a singolo ingresso descritto nelle figure 1 e 2, presenta un terminale di ingresso 153 e un primo e un secondo terminale di uscita 154, 155 ed è schematizzabile mediante un primo e un secondo condensatore di lettura equivalente 156, 157. In particolare, il primo condensatore di lettura equivalente 156 è collegato fra il terminale di ingresso 153 e il primo terminale di uscita 154 e presenta capacità pari alla capacità di lettura comune Cs, quando il sensore MEMS 151 è a riposo, e pari a Cs+ΔCs, quando il sensore MEMS 151 è sollecitato e si verifica uno sbilanciamento capacitivo ΔCs; il secondo condensatore di lettura equivalente 157 è collegato fra il terminale di ingresso 153 e il secondo terminale di uscita 155 e presenta capacità pari alla capacità di lettura comune Cs, quando il sensore MEMS 151 è a riposo, e pari a Cs-ΔCs, quando il sensore MEMS 151 è sollecitato.
Lo stadio di retroazione 152 comprende un circuito amplificatore 158 e un primo e un secondo condensatore di retroazione 159, 160.
Il circuito amplificatore 158, di per sé noto e descritto in dettaglio nell'articolo sopra citato, presenta una coppia di ingressi differenziali 158a, 158b collegati al primo e, rispettivamente, al secondo terminale di uscita 154, 155 del sensore MEMS 152, un ingresso di riferimento collegato alla linea di riferimento 115 e un'uscita 158c fornente una tensione di retroazione Vfb e collegata a un nodo di retroazione 161, attraverso un interruttore di retroazione 162, e al terminale di ingresso 153 del sensore MEMS 151, attraverso un interruttore di pilotaggio 164. Il terminale di ingresso 153 del sensore MEMS 151 è inoltre collegato alla linea di polarizzazione 165 attraverso un interruttore di polarizzazione 166.
Il primo e il secondo condensatore di retroazione 159, 160, aventi entrambi capacità di retroazione Cfb, hanno primi terminali collegati al nodo di retroazione 161 e secondi terminali collegati al primo e, rispettivamente, al secondo terminale di uscita 154, 155 del sensore MEMS 151.
Il circuito generatore di segnale 120, fornente un gradino di tensione di ampiezza Vs, ha la propria uscita 120a collegata al nodo di retroazione 161.
In una prima fase di funzionamento, il circuito di lettura 150 viene inizializzato, chiudendo gli interruttori di polarizzazione 166 e di pilotaggio 164 e aprendo l'interruttore di retroazione 162. In questo modo, il terminale di ingresso 153 del sensore MEMS 151 e l'uscita 158c del circuito amplificatore 158 si portano alla tensione di polarizzazione Vb (ossia Vfb = Vb).
Successivamente (figura 8), l'interruttore di polarizzazione 166 viene aperto e il circuito generatore di segnale 120 fornisce un gradino di tensione di ampiezza Vs. In questa fase, l'interruttore di pilotaggio 164 chiude un primo anello di retroazione negativa 168, formato dal circuito amplificatore 158 e dai condensatori di lettura equivalenti 156, 157 del sensore MEMS 151. Di conseguenza, il gradino di tensione di ampiezza Vs provoca una variazione ΔVfb della tensione di retroazione Vfb generata del circuito amplificatore 158, il cui funzionamento è descritto in dettaglio nell'articolo citato. In pratica, l'ampiezza della variazione AVfb della tensione di retroazione Vfb è data dall'espressione :
ΔVfb = Vs(cfb/Cs) (17)
ed è quindi inversamente proporzionale alla capacità di lettura comune Cs.
Il valore della tensione di retroazione Vfb presente sull'uscita 158c del circuito amplificatore 158 e sul terminale di ingresso del sensore MEMS 151 è quindi il seguente:
Vfb = Vb ΔVfb (18)
In seguito, tutti gli interruttori 162, 164, 166 commutano (figura 9). In questo modo, il primo anello di retroazione negativa 168 viene aperto e viene chiuso un secondo anello di retroazione negativa 170 formato dal circuito amplificatore 158 e dai condensatori di retroazione 159, 160. Grazie al secondo anello di retroazione negativa 170, il circuito amplificatore 158, in modo di per sé noto, mantiene a un valore costante la tensione di modo comune fra il primo e il secondo terminale di uscita del sensore MEMS 151 e, quindi, e fra gli ingressi dell'amplificatore operazionale di lettura 111, che opera quindi correttamente.
In questa fase, inoltre, il terminale di ingresso 153 del sensore MEMS 151, che viene nuovamente collegato alla linea di polarizzazione 165, si porta alla tensione di polarizzazione Vb. In pratica, dunque, la tensione presente sul terminale di ingresso 153 presenta una variazione di ampiezza pari alla variazione ΔVfb della tensione di retroazione Vfb e quindi inversamente proporzionale alla capacità comune di lettura Cs.
Di conseguenza, la tensione di uscita Vo è data dall'equazione:
(19)
dove B è una costante.
Anche in questo caso, i contributi dovuti ai movimenti spuri vengono perciò cancellati applicando al terminale di ingresso del sensore MEMS 151 una tensione inversamente proporzionale alla capacità di lettura comune Cs.
Da quanto esposto, risultano evidenti i vantaggi della presente invenzione.
Innanzi tutto, il circuito di lettura descritto non presenta problemi di linearità, in quanto non vengono effettuate approssimazioni, ma si sfruttano le proprietà degli amplificatori retroazionati per generare una tensione di per sé inversamente proporzionale alla capacità di lettura comune Cs. Di conseguenza, i movimenti spuri della massa mobile del sensore MEMS vengono efficacemente eliminati senza introdurre distorsioni e quindi la precisione del circuito di lettura viene sensibilmente migliorata.
In secondo luogo, non occorre prevedere stadi di compensazione aggiuntivi e quindi il circuito di lettura è più semplice da realizzare e presenta ingombro ridotto .
Risulta infine evidente che al circuito e al metodo descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall'ambito della presente invenzione .

Claims (19)

  1. R IV E N D ICA Z IO N I 1. Metodo di rilevamento di spostamenti tramite un sensore micro-elettro-meccanico (101; 151) comprendente un corpo fisso (3) e una massa mobile (4), formanti almeno un primo e un secondo condensatore di lettura (107, 108; 156, 157) e presentanti una capacità di lettura comune a riposo (Cs); il metodo comprendendo le fasi di: - chiudere un primo anello di retroazione negativa (136; 168) comprendente detti primo e secondo condensatore di lettura (107, 108; 156, 157) e mezzi amplificatori (124; 158); - fornire a detti mezzi amplificatori (124; 158) una tensione di lettura a gradino (Vs) attraverso mezzi capacitivi di pilotaggio (121, 122; 159, 160), in modo da produrre variazioni (ΔVc; Δvfb) di una grandezza elettrica di pilotaggio (Ve; Vfb) inversamente proporzionali a detta capacità di lettura comune (Cs); - pilotare detto sensore (101; 151) con detta grandezza elettrica di pilotaggio (Vc; Vfb).
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di chiudere comprende collegare fra loro un'uscita (124c; 158c) e almeno un ingresso (124a; 158b, 158c) di detti mezzi amplificatori (124; 158) attraverso detti primo e secondo condensatore di lettura (107, 108; 156, 157).
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detta fase di pilotare detto sensore (101; 151) comprende aprire detto primo anello di retroazione negativa (136; 168).
  4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui detto primo condensatore di lettura (107) è collegato fra un primo terminale di ingresso (102) ed un primo terminale di uscita (104), detto secondo condensatore di lettura (108) è collegato fra detto primo terminale di ingresso (102) ed un secondo terminale di uscita (105), un terzo condensatore di lettura (109) è collegato fra un secondo terminale di ingresso (103) e detto primo terminale di uscita (104) e un quarto condensatore di lettura (110) è collegato fra detto secondo terminale di ingresso (103) e detto secondo terminale di uscita (105)— e— in cui detta fase di pilotare detto sensore (101) comprende fornire a detto primo terminale di ingresso (102) e a detto secondo terminale di ingresso (103) di detto sensore (101) rispettive tensioni a gradino, aventi uguale ampiezza, correlata a dette variazioni (Ave) di detta grandezza elettrica di pilotaggio (Vc), e di segno opposto.
  5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui: durante detta fase di chiudere detto primo anello di retroazione (136), detto primo terminale di ingresso (102) viene collegato a detta uscita (124c) di detti mezzi amplificatori (124) e detto secondo terminale di ingresso (103) viene collegato a una linea di riferimento (115), fornente una tensione di riferimento (Vref); e durante detta fase di pilotare detto sensore (101), detto primo terminale di ingresso (102) viene collegato a detta linea di riferimento (115) e detto secondo terminale di ingresso (103) viene collegato a detta uscita (124c) di detti mezzi amplificatori (124).
  6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente, inoltre, la fase di memorizzare detta grandezza elettrica di pilotaggio (Ve).
  7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui detta fase di memorizzare comprende collegare un condensatore di mantenimento (125) fra detta uscita (124c) e detta linea di riferimento (115), durante detta fase di fornire detta tensione di lettura a gradino (Vs), e collegare detto condensatore di mantenimento (125) fra detta uscita (124c) e detto ingresso (124a) di detti mezzi amplificatori (124), durante detta fase di fornire a detto primo terminale di ingresso (102) e a detto secondo terminale di ingresso (103) di detto sensore (101) rispettive tensioni a gradino.
  8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui detta fase di pilotare detto sensore (151) comprende fornire a detto sensore (151) una tensione a gradino, avente ampiezza correlata a dette variazioni (ΔVfb) di detta grandezza elettrica di pilotaggio (Vfb).
  9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, comprendente la fase di chiudere un secondo anello di retroazione negativa (170), includente detti mezzi amplificatori (158) e detti mezzi capacitivi di pilotaggio (159, 160) .
  10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detti primo e secondo condensatore di lettura (156, 157) sono collegati insieme ad un terminale di ingresso (153), e in cui detto terminale di ingresso (153) viene collegato a una linea di polarizzazione (165) fornente una tensione di polarizzazione (Vb), prima -di-detta fase di chiudere detto primo anello di retroazione negativa (168); viene collegato a detta uscita (158c) di detti mezzi amplificatori (158) durante detta fase di chiudere detto primo anello di retroazione negativa (168); e viene collegato nuovamente a detta linea di polarizzazione (165) durante detta fase di pilotare detto sensore (151) .
  11. 11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta tensione di lettura a gradino (Vs) presenta ampiezza e durata prefissate.
  12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che, prima di eseguire detta fase di pilotare detto sensore (101; 151), viene eseguita la fase di rimuovere detta tensione di lettura a gradino (Vs).
  13. 13. Circuito di rilevamento di spostamenti tramite un sensore micro-elettro-meccanico (101; 151), comprendente un corpo fisso (3) e una massa mobile (4), formanti almeno un primo e un secondo condensatore di lettura (107, 108; 156, 157), collegati a un primo terminale di ingresso (102; 153) e a un primo, rispettivamente un secondo terminale di uscita (104, 105; 154, 155) e presentanti una capacità di lettura comune a riposo (Cs) e— uno sbilanciamento capacitivo (ΔCs); il circuito comprendendo: - un primo anello di retroazione negativa (136; 168), chiudibile selettivamente, comprendente detti primo e secondo condensatore di lettura (107, 108; 156, 157) e primi mezzi amplificatori (124; 158); e - mezzi generatori di tensione (120) collegati a detti primi mezzi amplificatori (124; 158) attraverso mezzi capacitivi di pilotaggio (121, 122; 159, 160) e fornenti una tensione di lettura a gradino (Vs) quando detto primo anello di retroazione negativa (136; 168) è chiuso, per produrre variazioni (ΔVc; ΔVfb) di una grandezza elettrica di pilotaggio (Ve; Vfb) di detto sensore, inversamente proporzionali a detta capacità di lettura comune (Cs).
  14. 14. Circuito secondo la rivendicazione 13, comprendente mezzi di attivazione (116, 128, 131; 136), per chiudere ed aprire selettivamente detto primo anello di retroazione negativa (136; 168).
  15. 15. Circuito secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui, quando detto primo anello di retroazione negativa (136; 168) è chiuso, detto primo terminale di ingresso (102; 153) è collegato a un'uscita di detti mezzi amplificatori (124; 158) e detti primo e secondo terminale di uscita (104, 105; 154, 155) sono collegati ad almeno un ingresso (124a; 158a, 158b) di detti primi mezzi amplificatori (124; 158).
  16. 16. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-15, comprendente secondi mezzi amplificatori (111) aventi ingressi collegati a detti primo, rispettivamente secondo terminale di uscita (104, 105; 154, 155) e uscite (llla, lllb) fornenti una tensione di uscita (Vo) correlata a detto sbilanciamento capacitivo (ACs) .
  17. 17. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-16, comprendente mezzi di memoria (125) memorizzanti detta grandezza elettrica di pilotaggio (Ve; Vfb) .
  18. 18. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-16, comprendente un secondo anello di retroazione negativa (170) chiudibile selettivamente, includente detti primi mezzi amplificatori (158) e detti mezzi condensatori di pilotaggio (159, 160).
  19. 19. Metodo e circuito di rilevamento di spostamenti tramite un sensore micro-elettro-meccanico, sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure annesse .
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