ITTO20090371A1 - Struttura microelettromeccanica con reiezione migliorata di disturbi di accelerazione - Google Patents
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Description
“STRUTTURA MICROELETTROMECCANICA CON REIEZIONE MIGLIORATA DI DISTURBI DI ACCELERAZIONEâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad una struttura microelettromeccanica dotata di migliorate caratteristiche meccaniche per la reiezione di disturbi di accelerazione; in particolare, la seguente trattazione farà esplicito riferimento, senza per questo perdere in generalità , ad un giroscopio di tipo microelettromeccanico.
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, 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 à ̈ 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 à ̈ proporzionale alla forza apparente, in modo tale che dallo spostamento della massa mobile à ̈ 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 causate dal movimento di elettrodi mobili, solidali alla 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 rilevamento intorno al quale viene rilevata una corrispondente velocità angolare. Idealmente, una struttura del tutto simmetrica consente di reiettare completamente, mediante l’impiego di opportuni schemi di lettura differenziali, accelerazioni lineari di disturbo che vengano applicate dall’esterno, ad esempio imputabili a shock agenti sul sensore o all’accelerazione di gravità . 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 “in controfase†), accelerazioni esterne di rumore ne determinano spostamenti nello stesso verso e nuovamente della stessa quantità (generando movimenti “in fase†); eseguendo la differenza dei segnali elettrici associati alle due masse di rilevamento di ciascuna coppia à ̈ dunque possibile idealmente misurare il contributo dovuto alla forza di Coriolis e reiettare completamente i contributi delle accelerazioni di rumore.
La presente richiedente ha tuttavia osservato, e verificato sperimentalmente, che le inevitabili variazioni (spread) del processo produttivo, ed in particolare le risultanti differenze, anche minime, nelle caratteristiche meccaniche delle masse di rilevamento e dei relativi elementi elastici di supporto, fanno sì che i giroscopi di tipo tradizionale non siano perfettamente immuni ai disturbi di accelerazione provenienti dall’esterno.
Infatti, sebbene i modi di vibrare delle masse di rilevamento siano disaccoppiati ed idealmente alla stessa frequenza, a causa degli spread di processo le frequenze di risonanza delle due masse di rilevamento di ciascuna coppia possono non risultare perfettamente coincidenti (ad esempio possono differire di 10-20 Hz), e ciò causare, per fattori di merito Q elevati, una cattiva reiezione ai disturbi di accelerazione esterni. In particolare, accelerazioni esterne aventi frequenza prossima alle frequenze di risonanza delle masse di rilevamento possono generare risposte anche notevolmente differenti nelle due masse di rilevamento, generando così un’uscita non nulla dalla relativa elettronica di lettura (nonostante lo schema differenziale adottato sia in grado idealmente di reiettare tali disturbi). Considerando che la frequenza di risonanza delle masse di rilevamento à ̈ solitamente compresa nella banda audio (minore cioà ̈ di 20kHz), à ̈ evidente che anche rumori ambientali possono generare, per i motivi sopra esposti, disturbi anche rilevanti in uscita.
La domanda di brevetto italiana TO2008A000981, depositata dalla titolare della presente domanda in data 23/12/2008 e non ancora pubblicata, descrive un giroscopio integrato microelettromeccanico con movimento di azionamento rotatorio e sensibile a velocità angolari di imbardata (yaw), configurato in modo da ridurre la sensibilità a disturbi di accelerazione esterni.
La figura 1 mostra un esempio di realizzazione di un giroscopio microelettromeccanico, indicato con 1, realizzato secondo gli insegnamenti contenuti nella suddetta domanda di brevetto.
Il giroscopio MEMS 1, fabbricato a partire da un die (o piastrina) avente un substrato di materiale semiconduttore (ad esempio silicio), comprende una massa di azionamento 3 ed un gruppo di azionamento 4.
La massa di azionamento 3 ha una configurazione sostanzialmente planare con estensione principale in un piano del sensore xy (definito da un primo ed un secondo asse orizzontale x, y, tra loro ortogonali, e sostanzialmente parallelo al piano del substrato), 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. La massa di azionamento 3 definisce centralmente uno spazio vuoto 6, il cui centro O coincide con il baricentro ed il centro di simmetria dell’intera struttura. La massa di azionamento 3 à ̈ inoltre ancorata al substrato per mezzo di ancoraggi 7a, disposti all’interno dello spazio vuoto 6, a cui à ̈ collegata attraverso elementi elastici di ancoraggio 8a.
Gli elementi elastici di ancoraggio 8a consentono un
movimento rotatorio della massa di azionamento 3 attorno ad
un asse di azionamento passante per il centro O, parallelo
all’asse verticale z e perpendicolare al piano del sensore r
xy, con una velocità angolare di azionamento Ωa.
Il gruppo di azionamento 4 comprende una pluralità di
gruppi di elettrodi di azionamento 9, estendentisi
esternamente dalla massa di azionamento 3 in direzione
radiale ed in maniera angolarmente equispaziata, costituiti
da elettrodi in configurazione a pettine (cosiddetta “comb-
fingered†). Opportuni segnali di polarizzazione elettrica
provenienti da un circuito di azionamento (non illustrato),
determinano, mediante l’attrazione reciproca ed alternata
degli elettrodi, un andamento rotatorio oscillatorio della
massa di azionamento 3 attorno all’asse di azionamento, ad
una determinata frequenza di oscillazione ed alla velocità r
angolare di azionamento Ωa.
Il giroscopio MEMS 1 comprende inoltre una coppia di
masse di rilevamento 10a, 10b, disposte all’interno dello
spazio vuoto 6, per il rilevamento di velocità angolari di<r>imbardata Ωiagenti intorno all’asse verticale z. Le masse
di rilevamento 10a, 10b sono sospese rispetto al substrato
e collegate alla massa di azionamento 3 tramite rispettivi
elementi elastici di supporto 11, in modo tale da essere solidali alla massa di azionamento durante il suo moto di
azionamento rotatorio, e da eseguire un movimento di
rilevamento lineare, sostanzialmente disaccoppiato rispetto
al movimento di azionamento, in direzione radiale
(coincidente con il secondo asse orizzontale y), in
risposta alla forza di Coriolis. A ciascuna delle masse di
rilevamento 10a, 10b sono accoppiati elettrodi mobili 12,
che formano condensatori di rilevamento a facce piane e
parallele con rispettivi primi e secondi elettrodi fissi
13a, 13b, solidali alla massa di azionamento 3.
In uso, il giroscopio 1 à ̈ in grado di rilevare la<r>velocità angolare di imbardata Ωiagente attorno all’asse
verticale z. In particolare, tale velocità angolare genera
una forza di Coriolis sulle masse di rilevamento 10a, 10b
diretta in direzione radiale (diretta quindi come una forza
centripeta agente sulle stesse masse), causando lo
spostamento delle masse di rilevamento, che si muovono in
controfase nella direzione radiale (in altre parole, si
spostano in versi opposti rispetto alla direzione radiale e
della stessa quantità ). Il valore della risultante
variazione capacitiva dei relativi condensatori di<r>rilevamento à ̈ proporzionale alla velocità angolare Ωi, che
può dunque essere determinata in modo di per sé noto
tramite un circuito di lettura, operante secondo lo schema
differenziale. In particolare, si realizzano opportuni collegamenti tra gli elettrodi fissi 13a, 13b e mobili 12, in modo tale che la differenza tra grandezze elettriche correlate alle variazioni dei primi e secondi condensatori di rilevamento venga amplificata in modo differenziale.
Al fine di ridurre i disturbi legati ad accelerazioni esterne agenti sulla struttura di rilevamento, che generano spostamenti in fase delle masse di rilevamento 10a, 10b lungo la stessa direzione radiale (spostamenti cioà ̈ aventi lo stesso valore e diretti nello stesso verso), il giroscopio MEMS 1 comprende inoltre una struttura di accoppiamento atta ad accoppiare elasticamente tra di loro le masse di rilevamento 10a, 10b. Tale struttura di accoppiamento comprende elementi elastici di accoppiamento 15a, 15b, estendentisi lungo la direzione radiale, ciascuno, a partire da una rispettiva massa di rilevamento, e tra loro collegati tramite un corpo di collegamento 16, disposto in posizione centrale, ad esempio in corrispondenza del centro O; il corpo di collegamento 16 à ̈ configurato in modo da avere peso e dimensioni sostanzialmente trascurabili, in particolar modo se confrontati con quelli delle stesse masse di rilevamento e degli elementi elastici. Il corpo di collegamento 16 à ̈ inoltre collegato alla massa di azionamento 3 tramite ulteriori elementi elastici di supporto 18, che si estendono trasversalmente alla direzione radiale (lungo il primo asse orizzontale x).
Gli elementi elastici di accoppiamento 15a, 15b svolgono, in uso, la funzione di accoppiare i modi di vibrazione delle masse di rilevamento 10a, 10b, e di originare due differenti modi di vibrare separati della risultante struttura di rilevamento meccanica. In particolare, si generano un primo modo di vibrare, in fase, ed un secondo modo di vibrare, in controfase, aventi frequenze di risonanza nettamente separate tra loro; in entrambi i casi, le due masse di rilevamento 10a, 10b vibrano alla stessa frequenza (indipendentemente da eventuali spread di processo). Risulta pertanto agevole, tramite l’elettronica di lettura, reiettare il modo di vibrare in fase legato alle accelerazioni di disturbo, e conservare, per le successive elaborazioni, il solo modo di vibrare in controfase rappresentativo delle accelerazioni angolari da rilevare.
Dal punto di vista meccanico, i suddetti due differenti modi di vibrare derivano dalle differenti modalità di spostamento delle masse di rilevamento 10a, 10b, durante il movimento in fase o in controfase. In particolare, durante il movimento in controfase, lo spostamento delle masse di rilevamento 10a, 10b à ̈ originato dalla deformazione sia degli elementi elastici di accoppiamento 15a, 15b che degli elementi elastici di supporto 11, così che il corpo di collegamento 16 rimane sostanzialmente fermo in posizione centrale. Durante il movimento in fase, gli elementi elastici di accoppiamento 15a, 15b subiscono una deformazione minore rispetto al moto in controfase, si deformano inoltre gli ulteriori elementi elastici di supporto 18 (che nel moto in controfase risultavano sostanzialmente fermi), ed il corpo di collegamento 16 si sposta lungo la direzione radiale. Ne risulta una rigidezza ed una frequenza propria del modo in fase sensibilmente minore della frequenza propria del modo in controfase (la rigidezza della struttura viene dunque complessivamente ridotta).
Le figure 2a e 2b mostrano i risultati di un’elaborazione numerica, che mette direttamente a confronto i valori ottenuti con il giroscopio MEMS 1 di figura 1 (in linea continua) con i valori ottenuti con una struttura tradizionale di tipo noto (in tratteggio), priva di accoppiamento elastico tra le masse di rilevamento. In particolare, in tale elaborazione numerica si à ̈ simulato uno spread di processo applicando una differenza dell’1% nelle rigidezze degli elementi elastici di supporto associati alle masse di rilevamento, e si à ̈ applicato un rumore casuale di spostamento ai vincoli delle stesse masse di rilevamento (per simulare un disturbo di accelerazione esterna). Le figure 2a e 2b mostrano, rispettivamente in scala lineare e logaritmica, il segnale di uscita dall’elettronica di lettura del giroscopio (e quindi il risultato delle operazioni di amplificazione e demodulazione, di per sé note, delle grandezze elettriche in uscita dai condensatori di rilevamento).
Da tali grafici, si può notare la presenza di due distinti picchi in frequenza distanziati di circa 20 Hz, dovuti alla differente frequenza di risonanza delle due masse di rilevamento, quando non accoppiate, ed inoltre à ̈ evidente la presenza di un’uscita dall’elettronica di lettura non nulla e di valore significativo in presenza di un’accelerazione di rumore (avente valori che possono anche essere confrontabili con i valori assunti durante il rilevamento di accelerazioni angolari). Al contrario, l’accoppiamento dei modi di vibrare delle masse di rilevamento 10a, 10b genera in uscita due contributi di rumore a frequenze tra loro nettamente separate: uno, relativo alla vibrazione in controfase, avendo frequenza circa doppia dell’altro, relativo alla vibrazione in fase. Inoltre, à ̈ immediato verificare come tale accoppiamento consenta di ridurre l’uscita del giroscopio, in risposta ad un’accelerazione di rumore esterna, di circa 100 volte rispetto ad una soluzione tradizionale (priva di accoppiamento tra le masse di rilevamento).
La soluzione descritta nella suddetta domanda di brevetto, sebbene consenta di migliorare notevolmente la reiezione dei disturbi di accelerazione, non à ̈ sempre immediatamente applicabile.
In particolare, tale soluzione trova immediata applicazione solamente per masse di rilevamento di velocità angolari di imbardata, in strutture (eventualmente anche inserite all’interno di sensori multi-asse) che prevedono un moto delle masse di rilevamento di traslazione in piano lungo uno stesso asse.
Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di realizzare l’accoppiamento delle masse di rilevamento anche nei casi in cui la precedente soluzione non sia applicabile. Inoltre la nuova soluzione ha lo scopo, come sarà chiarito in seguito, di ottenere vantaggi aggiuntivi e di migliorare ulteriormente le caratteristiche elettromeccaniche del giroscopio microelettromeccanico.
Secondo la presente invenzione viene pertanto fornita una struttura microelettromeccanica, come definita nella rivendicazione 1.
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 una vista schematica dall’alto di una struttura microelettromeccanica di un giroscopio MEMS, di tipo noto;
- le figure 2a, 2b mostrano grafici di grandezze elettriche relative al giroscopio di figura 1;
- la figura 3 mostra una vista schematica dall’alto di una struttura di accoppiamento tra masse di rilevamento con movimento di traslazione di un giroscopio MEMS secondo un aspetto della presente invenzione;
- la figura 4 mostra una vista laterale di una struttura di accoppiamento tra masse di rilevamento con movimento di rotazione di un giroscopio MEMS secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione;
- le figure 5a, 5b mostrano grafici di grandezze elettriche relative al giroscopio MEMS di figura 3 o 4;
- la figura 6a mostra una vista schematica dall’alto di un giroscopio MEMS monoassiale secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 6b mostra una vista schematica dall’alto del giroscopio MEMS di figura 6a, e la deformazione di relativi elementi elastici, durante il rilevamento di una velocità angolare di imbardata;
- la figura 7a mostra una vista schematica dall’alto di un giroscopio MEMS monoassiale in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 7b mostra una vista schematica dall’alto del giroscopio MEMS di figura 7a, e la deformazione di relativi elementi elastici, durante il rilevamento di una velocità angolare di rollio;
- la figura 8 mostra una vista schematica dall’alto di un giroscopio MEMS biassiale secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione, in grado di rilevare velocità angolari di imbardata e di rollio;
- la figura 9 mostra una vista schematica dall’alto di un giroscopio MEMS biassiale secondo una quarta forma di realizzazione della presente invenzione, in grado di rilevare velocità angolari di beccheggio e di rollio;
- la figura 10 mostra una vista schematica dall’alto di un giroscopio MEMS triassiale secondo una quinta forma di realizzazione della presente invenzione, in grado di rilevare velocità angolari di imbardata, di beccheggio e di rollio; e
- la figura 11 mostra uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo elettronico provvisto di un giroscopio MEMS secondo ancora un ulteriore aspetto della presente invenzione.
Come sarà descritto in dettaglio in seguito, un aspetto della presente invenzione prevede nuovamente di realizzare un accoppiamento meccanico delle masse di rilevamento del giroscopio MEMS (così da accoppiarne i modi di vibrazione), ma realizza tale accoppiamento secondo uno schema alternativo rispetto alla suddetta domanda di brevetto italiano TO2008A000981, che consente di ottenere vantaggi in termini delle prestazioni di reiezione dei disturbi di accelerazione ed inoltre si presta all’applicazione anche in strutture di rilevamento bi- e tri-assiali (e per il rilevamento di accelerazioni angolari di beccheggio e rollio).
In dettaglio, e facendo riferimento alla rappresentazione schematica di figura 3 (che mostra dall’alto una porzione della struttura di rilevamento), il movimento di azionamento à ̈ in questo caso costituito da una traslazione lungo la direzione del primo asse orizzontale x del piano del sensore xy (coincidente con il piano di estensione principale della struttura), mentre il movimento di rilevamento eseguito dalle masse di rilevamento 10a, 10b in funzione della risultante forza di Coriolis avviene lungo la direzione del secondo asse orizzontale y (come mostrato schematicamente dalla doppia freccia).
Le masse di rilevamento 10a, 10b (costituenti una coppia di masse di rilevamento per il rilevamento dell’accelerazione angolare di imbardata intorno all’asse verticale z, ortogonale al piano del sensore xy) sono nuovamente collegate ad una struttura di azionamento 3 (qui illustrata schematicamente) tramite rispettivi elementi elastici di supporto 11.
Le masse di rilevamento 10a, 10b sono in questo caso accoppiate meccanicamente mediante una struttura di accoppiamento 20, che comprende un elemento rigido di collegamento 22 (ad esempio un’asta dello stesso materiale semiconduttore di cui sono costituite le masse di rilevamento), avente una prima estremità collegata alla prima massa di rilevamento 10a della coppia ed una seconda estremità , opposta alla prima, collegata alla seconda massa di rilevamento 10b della coppia, e presentante, in corrispondenza di una sua porzione intermedia tra le stesse masse di rilevamento, ad esempio una sua porzione centrale, un punto di vincolo rispetto al movimento di rilevamento (forzato cioà ̈ a rimanere sostanzialmente immobile per la traslazione durante il movimento delle masse di rilevamento).
L’elemento rigido di collegamento 22 si estende (in questo caso, lungo il primo asse orizzontale x) trasversalmente rispetto alla direzione del movimento di rilevamento delle masse di rilevamento 10a, 10b; inoltre, l’elemento rigido di collegamento 22 si può idealmente considerare infinitamente rigido a flessione.
La struttura di accoppiamento 20 comprende inoltre: un primo elemento di accoppiamento 23, atto a vincolare la suddetta porzione intermedia dell’elemento rigido di collegamento 22 al substrato del giroscopio MEMS in corrispondenza del suddetto punto di vincolo; un secondo elemento di accoppiamento 24, atto a collegare elasticamente la prima estremità dell’elemento rigido di collegamento 22 alla prima massa di rilevamento 10a; ed un terzo elemento di accoppiamento 25, atto a collegare elasticamente la seconda estremità dell’elemento rigido di collegamento 22 alla seconda massa di rilevamento 10b.
In particolare, il primo, secondo e terzo elemento di accoppiamento 23, 24, 25 sono configurati in modo da incernierare idealmente l’elemento rigido di collegamento 22 centralmente al substrato, ed ai suoi estremi alle masse di rilevamento 10a, 10b, svolgendo pertanto sostanzialmente la funzione di cerniere che si suppone idealmente non avere alcuna rigidezza torsionale e non essere cedevoli (ovvero avere rigidezza infinita) alla traslazione. Gli elementi di accoppiamento 23, 24, 25 sono quindi configurati in modo tale da consentire rotazioni, ma non traslazioni, dell’elemento rigido di collegamento 22 relativamente al punto di vincolo con il substrato o alle masse di rilevamento.
In uso, la presenza del secondo e del terzo elemento di accoppiamento 24, 25 in corrispondenza delle porzioni di estremità dell’elemento rigido di collegamento 22 permette alle masse di rilevamento 10a, 10b di oscillare in controfase ad una frequenza idealmente determinata unicamente dagli elementi elastici di supporto 11 con cui sono collegate alla massa di azionamento 3 (quindi sostanzialmente alla stessa frequenza che avrebbero nel caso fossero tra loro disaccoppiate). In particolare, le masse di rilevamento 10a, 10b eseguono nel moto in controfase spostamenti della stessa entità ed in versi opposti lungo linee parallele tra loro ed al secondo asse orizzontale y, ad una distanza determinata sostanzialmente dall’estensione in lunghezza dell’elemento rigido di collegamento 22. Durante tale moto in controfase, il secondo ed il terzo elemento elastico di accoppiamento 24, 25 si deformano elasticamente, mentre l’elemento rigido di collegamento 22 ruota rigidamente nel piano del sensore xy intorno al suo punto di vincolo intermedio.
Inoltre, la presenza del primo elemento di accoppiamento 23 in corrispondenza della porzione centrale dell’elemento rigido di collegamento 22 e dell’associato punto di vincolo al substrato, impedisce sostanzialmente il movimento in fase delle masse di rilevamento 10a, 10b, data la rigidità sostanzialmente infinita alla traslazione (in questo caso lungo la direzione del secondo asse orizzontale y) del suddetto primo elemento di accoppiamento 23, ed alla rigidità alla flessione dello stesso elemento rigido di collegamento 22. In sostanza, à ̈ come se la frequenza propria del modo di oscillazione in fase tendesse all’infinito, con il risultato di definire un sistema meccanico ad un unico grado di libertà e dunque con un’unica frequenza propria (quella utile del modo in controfase).
La struttura di accoppiamento 20 precedentemente descritta si applica in maniera sostanzialmente analoga nel caso in cui il moto delle masse di rilevamento 10a, 10b, consentito dagli elementi elastici di supporto 11, non sia una traslazione, ma una rotazione al di fuori del piano del sensore xy. Come sarà descritto in dettaglio nel seguito, tale movimento di rilevamento à ̈ associato al rilevamento di accelerazioni angolari di beccheggio (pitch) e/o di rollio (roll), rispettivamente intorno al primo ed al secondo asse orizzontale x, y del piano del sensore xy.
Facendo riferimento alla rappresentazione schematica di figura 4 (che mostra lateralmente la struttura di rilevamento in una sezione parallela al piano del sensore xy ed al substrato), il movimento di azionamento à ̈ nuovamente una traslazione lungo la direzione del primo asse orizzontale x del piano del sensore xy, mentre il movimento di rilevamento delle masse di rilevamento 10a, 10b, causato dalla risultante forza di Coriolis, à ̈ in questo caso rappresentato da rotazioni in controfase (cioà ̈ in senso opposto e della stessa quantità ) delle masse di rilevamento al di fuori del piano xy intorno ad un asse definito dagli elementi elastici di supporto 11.
Anche in questo caso, il movimento in controfase delle masse di rilevamento 10a, 10b à ̈ consentito dalla rotazione dell’elemento rigido di collegamento 22 intorno al punto di vincolo e al di fuori del piano del sensore xy, e dalla deformazione elastica degli elementi di accoppiamento 24, 25; il movimento in fase delle stesse masse di rilevamento à ̈ invece nuovamente ostacolato dall’impossibilità dell’elemento rigido di collegamento 22 di traslare rispetto al punto di vincolo, in questo caso lungo la direzione dell’asse verticale z, e dalla rigidezza alla flessione dello stesso elemento rigido di collegamento 22.
Come sarà descritto in dettaglio in seguito, risulta anche possibile combinare le due soluzioni illustrate, in modo da realizzare l’accoppiamento delle varie coppie di masse di rilevamento nel caso di sensori biassiali (con rilevamento delle coppie di velocità angolari di beccheggio e rollio, beccheggio e imbardata, o rollio e imbardata) o triassiali (con rilevamento delle velocità angolari di beccheggio, rollio e imbardata).
La realizzazione della struttura di accoppiamento 20 avviene in un caso reale utilizzando elementi che non presentano, naturalmente, rigidezza infinita; inoltre, le rigidezze torsionali degli stessi elementi di accoppiamento 23, 24, 25 non possono essere nulle. Di conseguenza, nel caso reale la frequenza spuria (associata al moto in fase) non tende ad infinito, ma ad un valore elevato, ma finito; inoltre, la presenza della struttura di accoppiamento 20 comporta anche un incremento della frequenza del modo di vibrare utile (moto in controfase), rispetto al caso con masse disaccoppiate. Con un dimensionamento adeguato della struttura di accoppiamento 20 à ̈ possibile in ogni caso, con una data frequenza propria del modo utile, raggiungere valori di frequenza spuria molto elevati ed ottenere così una buona separazione dei modi di vibrazione.
Ad esempio, le figure 5a, 5b mostrano i risultati di un’elaborazione numerica analoga a quella precedentemente descritta con riferimento alle figure 2a, 2b, mettendo direttamente a confronto i valori ottenuti con la struttura di accoppiamento 20 (in linea continua) con i valori ottenuti in una struttura con masse di rilevamento disaccoppiate (in tratteggio). Dai grafici si nota un’evidente diminuzione della sensibilità del giroscopio ai disturbi di accelerazione esterni, ed inoltre la presenza (nella banda di frequenze evidenziata) di un unico picco (pari a circa 400 Hz), relativo alla frequenza propria del moto in controfase (segnale utile al rilevamento); la frequenza spuria del moto in fase à ̈ infatti spostata a frequenze molto più elevate (maggiori della banda di frequenze evidenziata, maggiori cioà ̈ di 1600 Hz).
Verranno ora illustrati alcuni esempi di layout di giroscopi microelettromeccanici, monoassiali, biassiali o triassiali, che implementano la struttura di accoppiamento 20 tra le relative masse di rilevamento.
In particolare, in tali esempi, per implementare ciascuno degli elementi di accoppiamento 23, 24, 25 (aventi funzioni di cerniera in corrispondenza dei rispettivi punti di cerniera) viene adottata la soluzione consistente nell’utilizzo di due molle aventi estensione rettilinea poste una a prolungamento dell’altra in direzione trasversale alla direzione di estensione dell’elemento rigido di accoppiamento 22, a partire dal rispettivo punto di cerniera, in modo da lavorare a flessione nel piano (del sensore) o torsione durante il moto in controfase delle masse di rilevamento, e a trazione/compressione o flessione fuori dal piano (del sensore) durante il moto in fase. Il comportamento di questa coppia di elementi flessibili approssima molto bene quello di una cerniera posizionata nel punto di contatto degli estremi in comune delle molle rettilinee, qualora tali molle rettilinee presentino una rigidezza nei confronti delle deformazioni di trazione/compressione/flessione fuori dal piano molto maggiore rispetto alla rigidezza nei confronti delle deformazioni di flessione nel piano/torsione.
La figura 6a mostra una prima forma di realizzazione di un giroscopio MEMS 30, di tipo monoassiale, sensibile a velocità angolari di imbardata (in tale figura, così come nelle successive, vengono utilizzati gli stessi numeri di riferimento per indicare elementi simili ad altri già descritti in precedenza).
Il giroscopio MEMS 30 presenta una struttura simmetrica rispetto al secondo asse orizzontale y, comprendente una prima ed una seconda massa di azionamento 3a, 3b, aventi una forma sostanzialmente a “C†(e, rispettivamente, a “C†rovesciata) disposte reciprocamente affacciate, e definenti internamente un rispettivo spazio vuoto 6a, 6b.
Le masse di azionamento 3a, 3b sono ancorate al substrato (qui non illustrato) della piastrina di materiale semiconduttore in cui il giroscopio MEMS 30 Ã ̈ realizzato, mediante ancoraggi 7a disposti esternamente al rispettivo spazio vuoto 6a, 6b, a cui sono collegati mediante elementi elastici di ancoraggio 8a estendentesi lungo il primo asse orizzontale x. Le masse di azionamento 3a, 3b sono azionate da rispettivi gruppi di elettrodi di azionamento 9 (in configurazione interdigitata) in modo tale da generare un movimento di azionamento di traslazione lungo la direzione del primo asse orizzontale x.
Il giroscopio MEMS 30 comprende inoltre una prima ed una seconda massa di rilevamento 10a, 10b, disposte, ciascuna, in un rispettivo spazio vuoto 6a, 6b internamente ad una rispettiva massa di azionamento 3a, 3b, a cui sono collegate mediante elementi elastici di supporto 11 estendentisi lungo il secondo asse orizzontale y; gli elementi elastici di supporto 11 sono configurati in modo tale che le masse di rilevamento 10a, 10b siano trascinate dalla rispettiva massa di azionamento 3a, 3b durante il movimento di azionamento, ed eseguano inoltre un movimento di rilevamento, disaccoppiato dal movimento di azionamento, di traslazione lungo linee parallele tra loro ed al secondo asse orizzontale y. Le masse di rilevamento 10a, 10b presentano una forma sostanzialmente rettangolare, allungata in direzione del secondo asse orizzontale y, e sono collegate a rispettivi elettrodi mobili 12, estendentisi lateralmente da esse lungo il primo asse orizzontale x. Gli elettrodi mobili 12 formano condensatori di rilevamento a facce piane e parallele con rispettivi primi e secondi elettrodi fissi 13a, 13b, ancorati (in modo non illustrato) al substrato, in modo da essere immobili rispetto al movimento di rilevamento delle masse di rilevamento 10a, 10b.
L’elemento rigido di collegamento 22 della struttura di accoppiamento 20 si estende tra la prima e la seconda massa di rilevamento 10a, 10b lungo il primo asse orizzontale x, trasversalmente alla direzione del suddetto movimento di rilevamento, con la sua porzione centrale incernierata al substrato. In particolare, tale porzione centrale à ̈ collegata ad un primo ancoraggio di vincolo 32a mediante una prima molla rettilinea 34a, estendentesi lungo il secondo asse orizzontale y, e ad un secondo ancoraggio di vincolo 32b mediante una seconda molla rettilinea 34b, anch’essa estendentesi lungo il secondo asse orizzontale y, a prolungamento della prima molla rettilinea 34a, a partire dalla suddetta porzione centrale. Come sarà illustrato in seguito, gli ancoraggi di vincolo 32a, 32b sono costituiti da pilastri di materiale semiconduttore che si estendono a partire dal substrato fino a raggiungere il piano del sensore xy.
La prima e la seconda molla rettilinea 34a, 34b formano il primo elemento di accoppiamento 23 della struttura di accoppiamento 20, avente la funzione di incernierare l’elemento rigido di collegamento 22 al substrato (le molle rettilinee 34a, 34b presentano infatti una rigidezza alla trazione/compressione molto maggiore rispetto alla rigidezza rispetto alla flessione nel piano).
Il secondo e il terzo elemento di accoppiamento 24, 25 sono costituiti anch’essi da una coppia di molle rettilinee 34a, 34b estendentisi lungo il secondo asse orizzontale y a prolungamento l’una dell’altra a partire dal, e da parti opposte dell’elemento rigido di collegamento 22. Le estremità non in comune delle molle rettilinee 34a, 34b sono collegate a corrispondenti porzioni di estremità delle rispettive masse di rilevamento 10a, 10b mediante porzioni di raccordo 35, trasversali alle molle stesse ed estendentisi lungo il primo asse orizzontale x.
In uso, come mostrato in figura 6b, in seguito al movimento di azionamento lungo il primo asse orizzontale x delle masse di azionamento 3a, 3b, ed in presenza di una velocità angolare di imbardata da rilevare, si genera una forza di Coriolis sulle corrispondenti masse di rilevamento 10a, 10b, diretta in versi opposti (come evidenziato dalle frecce) lungo la direzione del secondo asse orizzontale y. Nel risultante moto in controfase, le masse di rilevamento 10a, 10b si muovono della stessa quantità in versi opposti lungo il secondo asse orizzontale y, causando la deformazione in torsione/flessione dei primi, secondi e terzi elementi di accoppiamento 23, 24, 25, e la rotazione dell’elemento rigido di collegamento 22 nel piano del sensore xy intorno al punto di cerniera/vincolo (in particolare, intorno ad un asse parallelo all’asse verticale z e passante per tale punto di cerniera/vincolo).
Al contrario, un disturbo di accelerazione esterno, che tenderebbe a muovere le masse di rilevamento 10a, 10b della stessa quantità e nello stesso verso del secondo asse orizzontale y, in realtà viene contrastato dalla presenza del vincolo al substrato dell’elemento rigido di collegamento 22, che risulta vincolato, rispetto alla traslazione nel piano del sensore xy lungo la direzione dello stesso secondo asse orizzontale y, dalla presenza delle rispettive molle rettilinee 34a, 34b (in altre parole, risultando sostanzialmente immobile rispetto a tale traslazione).
La figura 7a mostra una seconda forma di realizzazione della presente invenzione, relativa ad un giroscopio MEMS 30 in grado di rilevare velocità angolari di rollio, con masse di rilevamento che ruotano fuori dal piano del sensore xy (spostandosi, se si considerano le piccole oscillazioni, lungo la direzione dell’asse verticale z).
Tale soluzione differisce dalla precedente, per una differente configurazione delle masse di rilevamento 10a, 10b che sono ora in grado di ruotare fuori dal piano del sensore xy intorno all’asse definito dagli elementi elastici di supporto 11, qui costituiti da elementi rettilinei estendentisi lungo il secondo asse orizzontale y accoppiati ad una porzione di estremità della rispettiva massa di rilevamento 10a, 10b, da parti opposte rispetto al primo asse orizzontale x. Al di sotto di ciascuna massa di rilevamento 10a, 10b, ed al di sopra del substrato, à ̈ disposto un rispettivo elettrodo fisso, qui indicato con 13a; le stesse masse di rilevamento 10a, 10b costituiscono qui l’elettrodo mobile affacciato all’elettrodo fisso 13a.
Le masse di rilevamento 10a, 10b si estendono dunque a sbalzo al di sopra del rispettivo elettrodo fisso 13a e del substrato, a partire dai rispettivi elementi elastici di supporto 11.
In uso, in seguito al movimento di azionamento lungo il primo asse orizzontale x delle masse di azionamento 3a, 3b, ed in presenza di una velocità angolare di rollio intorno al secondo asse orizzontale y, si genera una forza di Coriolis sulle corrispondenti masse di rilevamento 10a, 10b, diretta lungo la direzione dell’asse verticale z.
Come mostrato in figura 7b (che mostra la deformazione della struttura durante il moto in controfase), le masse di rilevamento 10a, 10b ruotano al di fuori del piano del sensore xy, della stessa quantità ed in versi opposti (allontanandosi o avvicinandosi rispetto al substrato, qui indicato con il numero di riferimento 36 ed al rispettivo elettrodo fisso 13a). Nuovamente, tale movimento di rilevamento à ̈ consentito dalla deformazione in torsione dei primi, secondi e terzi elementi di accoppiamento 23, 24, 25. Durante tale moto in controfase si verifica inoltre la rotazione dell’elemento rigido di collegamento 22 al di fuori del piano xy intorno al punto di vincolo (in questo caso, intorno ad un asse parallelo al secondo asse orizzontale y estendentesi lungo le molle rettilinee 34a, 34b). In figura 7b, viene inoltre mostrato l’ancoraggio di vincolo 32b, accoppiato al substrato 36, conformato a pilastro estendentesi verticalmente a partire dallo stesso substrato 36 fino a raggiungere il piano del sensore xy, in corrispondenza del quale sono disposte le molle rettilinee 34a, 34b.
Al contrario, accelerazioni di rumore non producono idealmente alcuno spostamento delle masse di rilevamento 10a, 10b; lo spostamento di traslazione lungo la direzione verticale z dell’elemento rigido di collegamento 22 à ̈ infatti ostacolato dalla rigidezza alla flessione fuori dal piano del primo elemento di accoppiamento 23 che vincola lo stesso elemento rigido di collegamento 22 al substrato 36, nonché dalla rigidezza alla flessione dello stesso elemento rigido di collegamento 22.
La figura 8 mostra una terza forma di realizzazione della presente invenzione, relativa ad un giroscopio MEMS 30 di tipo biassiale, in grado di rilevare in maniera sostanzialmente disaccoppiata, velocità angolari intorno ad un asse di imbardata e ad un asse di rollio, combinando le strutture di rilevamento descritte singolarmente in precedenza.
A tal fine, all’interno dello spazio vuoto 6a, 6b di ciascuna massa di azionamento 3a, 3b, sono presenti due masse di rilevamento (in modo da formare due coppie di masse di rilevamento, una coppia per ciascun asse di rilevamento), una disposta in modo da traslare in una direzione appartenente al piano del sensore xy (in particolare lungo il secondo asse orizzontale y), e l’altra disposta in modo da ruotare al di fuori dello stesso piano del sensore xy.
In dettaglio, masse di rilevamento 10c, 10d di una seconda coppia (destinata al rilevamento di velocità angolari di imbardata) sono collegate direttamente alla rispettiva massa di azionamento 3a, 3b mediante gli elementi elastici di supporto 11, e presentano una conformazione a “C†(o a “C†rovesciata), definendo internamente un ulteriore spazio vuoto 38a, 38b. A ciascuna di tali masse di rilevamento 10c, 10d sono associati elettrodi mobili 12, interdigitati ad elettrodi fissi 13a, 13b, in maniera sostanzialmente analoga a quanto descritto in precedenza.
Le masse di rilevamento 10a, 10b della prima coppia (destinata al rilevamento di velocità angolari di rollio) sono disposte, ciascuna, in un rispettivo spazio vuoto 38a, 38b definito da una corrispondente massa di rilevamento 10c, 10d della seconda coppia, essendo ad essa collegate mediante ulteriori elementi elastici di supporto 39. Le masse di rilevamento 10a, 10b risultano dunque collegate alla rispettiva massa di azionamento 3a, 3b tramite l’interposizione di una corrispondente massa di rilevamento 10c, 10d della seconda coppia (ed à ̈ a tal fine prevista un’opportuna rigidità degli ulteriori elementi elastici di supporto 39, rispetto al moto di azionamento). Come descritto precedentemente, le masse di rilevamento 10a, 10b della prima coppia si estendono a sbalzo dai rispettivi elementi elastici di supporto 39, e sono affacciate a rispettivi elettrodi fissi 13a disposti al di sopra del substrato 36 (qui non illustrato).
La struttura di accoppiamento 20, realizzata in modo sostanzialmente analogo a quanto descritto precedentemente, à ̈ in questo caso collegata direttamente alle masse di rilevamento 10a, 10b della prima coppia, e, tramite queste, indirettamente alle masse di rilevamento 10c, 10d della seconda coppia (ed à ̈ a tal fine prevista un’opportuna rigidità degli ulteriori elementi elastici di supporto 39 al moto di traslazione delle masse di rilevamento 10c, 10d della seconda coppia).
In uso, una velocità angolare di imbardata determina una forza di Coriolis diretta lungo la direzione del secondo asse orizzontale y ed un conseguente movimento di traslazione delle masse di rilevamento 10c, 10d della seconda coppia, che trascinano rigidamente in tale movimento anche le masse di rilevamento 10a, 10b della prima coppia (tale movimento à ̈ consentito dalla deformazione in flessione nel piano degli elementi elastici della struttura di accoppiamento 20). In maniera analoga, una velocità angolare di rollio determina una forza di Coriolis diretta lungo la direzione dell’asse verticale z ed un conseguente movimento di rotazione al di fuori del piano del sensore xy delle masse di rilevamento 10a, 10b della prima coppia (tale movimento à ̈ nuovamente consentito dalla deformazione, in torsione, degli elementi elastici della struttura di accoppiamento 20). Accelerazioni esterne di disturbo, per ragioni analoghe a quanto illustrato in precedenza, non determinano invece spostamenti apprezzabili delle masse di rilevamento 10a, 10b e 10c, 10d di ciascuna coppia, data la presenza del vincolo al substrato 36 dell’elemento rigido di collegamento 22, in posizione intermedia tra le masse di rilevamento, ed alla rigidità dello stesso elemento rigido di collegamento 22.
Una quarta forma di realizzazione della presente invenzione, mostrata in figura 9, implementa un giroscopio MEMS 30 biassiale, sensibile a velocità angolari intorno all’asse di rollio ed all’asse di beccheggio.
Anche in questo caso sono dunque presenti due coppie di masse di rilevamento 10a, 10b e 10c, 10d (una coppia di masse per ogni asse di rilevamento), tutte disposte (in maniera corrispondente a quanto descritto precedentemente) in modo da essere in grado di ruotare al di fuori del piano del sensore xy, intorno a rispettivi elementi elastici di supporto 11 collegati a corrispondenti masse di azionamento 3a, 3b e 3c, 3d (in questo caso in numero pari a quattro, una per ciascuna massa di rilevamento). Il giroscopio MEMS 30 ha una struttura risultante simmetrica sia rispetto al primo asse orizzontale x che rispetto al secondo asse orizzontale y; la coppia di masse di rilevamento 10a, 10b e di azionamento 3a, 3b relative all’asse di rollio sono disposte allineate lungo il primo asse orizzontale x, mentre la coppia di masse di rilevamento 10c, 10d e di azionamento 3c, 3d relative all’asse di beccheggio sono disposte allineate lungo il secondo asse orizzontale y, con una disposizione complessiva a croce delle varie masse.
Per accoppiare tra di loro le masse di rilevamento delle due coppie à ̈ prevista in questo case una differente configurazione della struttura di accoppiamento 20, disposta al centro della suddetta croce definita dalle masse di rilevamento e di azionamento.
In particolare, l’elemento rigido di collegamento 22 comprende qui un primo elemento a cornice 22a, avente porzioni di lato parallele a coppie agli assi orizzontali x ed y, ed un secondo elemento a cornice 22b, disposto internamente rispetto al primo elemento a cornice 22a (parallelamente ad esso). Le porzioni di lato sia del primo che del secondo elemento a cornice 22a, 22b sono costituite da elementi rigidi (ad esempio travi di materiale semiconduttore). Le porzioni di lato parallele al secondo asse orizzontale y del primo elemento a cornice 22a sono collegate a corrispondenti porzioni di lato (nuovamente parallele al secondo asse orizzontale y) del secondo elemento a cornice 22b mediante elementi di collegamento 50, sostanzialmente elastici e diretti lungo il primo asse orizzontale x; inoltre, le porzioni di lato parallele al primo asse orizzontale x del secondo elemento a cornice 22b (disposto più internamente) sono incernierate al substrato 36 mediante un unico ancoraggio di vincolo, qui indicato con 32a, a cui sono collegate mediante rispettive molle rettilinee 34a, 34b (parallele al secondo asse orizzontale y), costituenti il primo elemento di accoppiamento 23. Le porzioni di lato del primo elemento a cornice 22a (disposto più esternamente) sono inoltre accoppiate a rispettive masse di rilevamento 10a-10d mediante rispettivi secondi e terzi elementi di accoppiamento 24, 25 (per un totale di quattro elementi di accoppiamento, uno per ciascuna massa di rilevamento), a cui sono collegate mediante ulteriori elementi di collegamento 52, anch’essi sostanzialmente elastici e diretti lungo il primo o secondo asse orizzontale x, y.
In uso, i movimenti di rotazione in controfase delle masse di rilevamento 10a-10b, 10c-10d delle due coppie vengono trasmessi al primo elemento a cornice 22a dai secondi e terzi elementi di accoppiamento 24, 25, e, tramite gli elementi di collegamento 50, trasmessi al secondo elemento a cornice 22b, con un’associata deformazione delle molle rettilinee 34a, 34b del primo elemento di accoppiamento 23. Al contrario, i movimenti di rotazione in fase delle stesse masse di rilevamento, dovuti ad accelerazioni di rumore, non provocano spostamenti apprezzabili, data la rigidità alla traslazione dell’intera struttura di accoppiamento 20 (ed in particolare delle stesse molle rettilinee 34a, 34b associate all’ancoraggio di vincolo 32a).
Una quinta forma di realizzazione della presente invenzione, mostrata in figura 10, utilizza una struttura di accoppiamento 20 sostanzialmente analoga a quella mostrata in figura 9 e strutture di rilevamento analoghe a quelle descritte in precedenza, per fornire un giroscopio MEMS 30 triassiale, sensibile a velocità angolari intorno all’asse di imbardata ed agli assi di rollio e di beccheggio.
In questo caso, sono presenti quattro masse di azionamento 3a-3d e tre coppie di masse di rilevamento (10a-10b, 10c-10d e 10e-10f) relative, ciascuna, ad un rispettivo asse di rilevamento del giroscopio MEMS 30. In particolare, rispetto alla soluzione illustrata in figura 9, à ̈ presente un’ulteriore coppia di masse di rilevamento 10e-10f con conformazione a “C†, disposte esternamente alle masse di rilevamento 10c-10d relative all’asse di beccheggio, e ad esse collegate elasticamente sostanzialmente come descritto con riferimento alla terza forma di realizzazione di figura 8 (in maniera equivalente, la terza coppia di masse di rilevamento potrebbe essere disposta lungo il primo asse orizzontale x, esternamente alle masse di rilevamento 10a, 10b relative all’asse di rollio).
Applicando i principi evidenziati in precedenza, à ̈ immediato verificare che tale struttura consente di rilevare i movimenti in controfase delle masse di rilevamento relativi alle velocità angolari di imbardata, rollio o beccheggio, sostanzialmente impedendo i movimenti in fase delle stesse masse di rilevamento (e così consentendo la reiezione delle accelerazioni di rumore).
I vantaggi del giroscopio microelettromeccanico realizzato secondo la presente invenzione emergono quindi in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In particolare, si sottolinea nuovamente il fatto che la particolare soluzione di accoppiamento meccanico delle masse di rilevamento delle velocità angolari consente di reiettare i disturbi di accelerazione esterni (ad esempio dovuti a rumore ambientale o di altra natura), anche in presenza di spread del processo di fabbricazione.
Rispetto alla soluzione descritta nella suddetta domanda di brevetto italiano a nome della stessa richiedente, la presente soluzione di accoppiamento può essere utilizzata per accoppiare masse di rilevamento relative a più assi (di imbardata, rollio o beccheggio) contemporaneamente; la presente soluzione di accoppiamento à ̈ infatti vantaggiosamente applicabile anche in giroscopi bi- o triassiali, consentendo infatti l’integrazione con strutture di rilevamento di accelerazioni angolari di beccheggio e/o di rollio.
Tale soluzione prevede inoltre una separazione delle frequenze di risonanza di rilevamento tale da spostare il modo di vibrare indesiderato (ovvero quello in cui le masse di rilevamento oscillano in fase) a frequenza più elevata rispetto al modo di vibrare utile di rilevamento (oscillazione in controfase), le due frequenze essendo in ogni caso molto distanti tra di loro (maggiore la separazione, migliori essendo gli effetti di reiezione ai disturbi).
Grazie a questa caratteristica, l’oscillazione spuria che si ottiene in uscita dal giroscopio à ̈ molto ridotta ed inoltre, essendo ad una frequenza molto lontana dalla frequenza di interesse, può essere filtrata in modo efficace dall’elettronica di lettura.
In particolare, separare la frequenza di risonanza del modo in fase portandola ad alta frequenza risulta ancora più vantaggioso, perché, in generale, maggiore à ̈ la frequenza e minore à ̈ l’entità delle accelerazioni esterne agenti sul sensore. Inoltre, portando il modo in fase a più alta frequenza si può ottenere un maggiore allontanamento dei modi (dato che, in modo noto un irrigidimento della struttura di rilevamento à ̈ sempre vantaggioso, al contrario di una sua riduzione di rigidezza, che non può mai essere eccessiva); il filtraggio dei contributi di frequenza del modo indesiderato risulta più efficace.
Un ulteriore vantaggio della presente struttura di accoppiamento à ̈ costituito dal fatto che, in caso di lettura capacitiva, l’aumento di rigidezza della vibrazione del modo in fase porta ad una minore variazione di gap tra gli elettrodi (e quindi di sensibilità del dispositivo) in presenza dell’accelerazione di gravità .
Inoltre, l’accoppiamento delle masse di rilevamento incrementa notevolmente (sostanzialmente raddoppia, a parità di frequenza) la rigidezza del sistema nella direzione di rilevamento, rendendolo più robusto, ad esempio garantendo una maggiore resistenza al problema della “stiction†(incollamento degli elettrodi mobili contro gli elementi fissi della struttura). In modo noto, la stiction à ̈ un fenomeno dovuto alla forza di adesione tra superfici a contatto. Se in seguito ad uno shock, gli elementi mobili entrano in contatto con gli elementi fissi, tra le superfici di contatto si genera una forza di adesione, che tende a mantenerle unite. A questa forza di adesione si oppone la forza di richiamo elastico, che à ̈ proporzionale alla rigidezza del sistema. A pari frequenza, maggiore à ̈ la massa in gioco, maggiore à ̈ la rigidezza. Nel sistema disaccoppiato la massa in gioco à ̈ data dalla massa della singola massa di rilevamento. Nel sistema accoppiato, invece, la massa in gioco à ̈ la massa complessiva delle due masse di rilevamento. Se le masse sono uguali, la rigidezza in gioco quindi raddoppia. Intuitivamente, nel sistema accoppiato, se una massa di rilevamento subisce il fenomeno della stiction, non solo i suoi elementi elastici, ma anche quelli della seconda massa di rilevamento ad essa collegata si oppongono alla forza di adesione.
In sostanza, le suddette caratteristiche rendono il giroscopio MEMS 30 particolarmente indicato per l’integrazione in un dispositivo elettronico 50, come mostrato in figura 11, 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 videocamera; il dispositivo elettronico 50 essendo generalmente in grado di elaborare, memorizzare, trasmettere e ricevere segnali ed informazioni.
Il dispositivo elettronico 50 comprende un circuito di azionamento 51, operativamente accoppiato al gruppo di azionamento 4 per impartire il movimento di azionamento alle varie masse di azionamento 3, e fornire segnali di polarizzazione alle strutture microelettromeccaniche (in modo di per sé noto, qui non illustrato in dettaglio); un circuito di lettura 52, operativamente accoppiato ai condensatori di rilevamento associati delle masse di rilevamento, per rilevare l’entità degli spostamenti delle stesse masse di rilevamento e quindi determinare le velocità angolari agenti sulla struttura; ed un’unità elettronica di controllo 54, ad esempio a microprocessore, collegata al circuito di lettura 52, ed atta a sovrintendere al funzionamento generale del dispositivo elettronico 50, ad esempio sulla base delle velocità angolari rilevate e determinate.
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, à ̈ evidente che la soluzione descritta per la realizzazione degli elementi di accoppiamento (come precedentemente illustrato, aventi funzione di cerniera) della struttura di accoppiamento tra le masse di rilevamento di ciascuna coppia non à ̈ da intendersi come limitativa, e che ulteriori soluzioni possono essere ugualmente previste a tal fine.
Ad esempio, le molle contrapposte, poste una a prolungamento dell’altra per realizzare tali elementi di accoppiamento, potrebbero essere del tipo “folded†(ripiegato), avendo in ogni caso un’estensione principale (o sviluppo) in una stessa direzione (in particolare nella direzione trasversale all’elemento rigido 22).
Inoltre, il punto di vincolo intermedio dell’elemento rigido di collegamento 22 potrebbe essere collegato ad un differente elemento, fisso rispetto al movimento di rilevamento, ad esempio alla massa di azionamento 3, anziché al substrato 36.
In generale, à ̈ evidente che possono essere previste modifiche alla configurazione di alcuni degli elementi strutturali del giroscopio MEMS 30. Ad esempio, le masse di azionamento 3 possono avere una forma differente, diversa da quella illustrata, così come può essere differente la forma delle masse di rilevamento.
Inoltre, lo spostamento delle masse di rilevamento può essere determinato con tecnica diversa da quella capacitiva, ad esempio mediante il rilevamento di una forza magnetica; ed il movimento di azionamento può essere generato in maniera differente, ad esempio mediante elettrodi “parallel-plate†, oppure attuazione magnetica.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Struttura integrata MEMS (30), comprendente: - un gruppo di azionamento (3, 4), ancorato ad un substrato (36) ed atto ad essere azionato con un movimento di azionamento; - una prima coppia di masse di rilevamento, formata da una prima (10a) e da una seconda (10b) massa di rilevamento sospese al di sopra di detto substrato (36) e accoppiate a detto gruppo di azionamento (3, 4) tramite rispettivi elementi elastici di supporto (11) in modo da essere ad esso solidali nel movimento di azionamento, e da eseguire inoltre un movimento di rilevamento lungo una prima direzione di rilevamento, in risposta ad una sollecitazione esterna; ed - un gruppo di accoppiamento (20) atto ad accoppiare meccanicamente dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento in modo da accoppiarne i modi di vibrazione, caratterizzata dal fatto che detto gruppo di accoppiamento (20) comprende un elemento rigido (22), che collega dette prima e seconda massa di rilevamento e presenta un punto di vincolo in posizione intermedia tra esse, e primi e secondi mezzi di accoppiamento elastico (24, 25) atti a collegare rispettive estremità di detto elemento rigido (22) a dette prima e seconda massa di rilevamento; detti primi e secondi mezzi di accoppiamento elastico (24, 25) e detto elemento rigido (22) essendo configurati in modo tale da presentare una prima rigidezza ad un movimento in controfase, ed una seconda rigidezza, maggiore di detta prima rigidezza, ad un movimento in fase, di dette masse di rilevamento lungo detta direzione di rilevamento.
- 2. Struttura secondo la rivendicazione 1, in cui detta seconda rigidezza, maggiore di detta prima rigidezza, Ã ̈ tale da sostanzialmente inibire detto movimento in fase di dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento; ed in cui detto punto di vincolo risulta sostanzialmente immobile alla traslazione durante detto movimento di rilevamento.
- 3. Struttura secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto elemento rigido (22) si estende tra dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento trasversalmente a detta direzione di rilevamento; ed in cui detti primi e secondi mezzi di accoppiamento elastico (24, 25) e detto elemento rigido (22) sono configurati in modo da consentire a dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento un movimento in controfase lungo linee sostanzialmente parallele tra loro e a detta direzione di rilevamento.
- 4. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto gruppo di accoppiamento (20) à ̈ configurato in modo da causare una separazione tra un primo contributo di frequenza, associato a detto movimento in controfase di dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento ed al rilevamento di una prima velocità angolare, ed un secondo contributo di frequenza, associato a detto movimento in fase di dette prima e seconda massa di rilevamento ed al rilevamento di un’accelerazione di disturbo; detto gruppo di accoppiamento (20) essendo configurato in modo da spostare a frequenze maggiori detto secondo contributo di frequenza, rispetto a detto primo contributo di frequenza.
- 5. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto punto di vincolo di detto elemento rigido (22) Ã ̈ collegato elasticamente a detto substrato (36) tramite un elemento di accoppiamento (23).
- 6. Struttura secondo la rivendicazione 5, in cui detto elemento di accoppiamento (23) Ã ̈ collegato tra detto punto di vincolo di detto elemento rigido (22) e mezzi di ancoraggio (32a, 32b) disposti al di sopra di detto substrato (36) e ad esso rigidamente collegati.
- 7. Struttura secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detto elemento di accoppiamento (23) e detti primi (24) e secondi (25) mezzi di accoppiamento elastico sono configurati in modo da presentare un funzionamento a cerniera in corrispondenza di un rispettivo punto di accoppiamento con detto elemento rigido (22).
- 8. Struttura secondo la rivendicazione 7, avente un’estensione principale in un piano (xy); in cui detto elemento di accoppiamento (23) e detti primi (24) e secondi (25) mezzi di accoppiamento elastico sono costituiti da una rispettiva coppia di elementi elastici (34a, 34b) disposti allineati, uno a prolungamento dell’altro, estendendosi in una direzione trasversale alla direzione di estensione di detto elemento rigido (22) a partire dal rispettivo punto di accoppiamento con detto elemento rigido (22); detti elementi elastici (34a, 34b) essendo configurati in modo da lavorare a flessione nel piano o torsione durante detto movimento in controfase di dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento, e a trazione/compressione o flessione fuori dal piano durante detto movimento in fase; detti elementi elastici (34a, 34b) presentando detta seconda rigidezza nei confronti di dette deformazioni di trazione/compressione o flessione fuori dal piano, e detta prima rigidezza nei confronti di dette deformazioni di flessione nel piano o torsione.
- 9. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto gruppo di azionamento (3, 4) à ̈ atto ad essere azionato in un piano (xy) con detto movimento di azionamento; ed in cui dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento sono atte ad effettuare un rispettivo movimento di rilevamento di traslazione lineare in detto piano (xy), in risposta ad una velocità angolare di imbardata applicata in uso intorno ad un asse verticale (z) trasversale a detto piano (xy).
- 10. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, in cui detto gruppo di azionamento (3, 4) à ̈ atto ad essere azionato in un piano (xy) con detto movimento di azionamento; ed in cui dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento sono atte ad effettuare un rispettivo movimento di rilevamento di rotazione al di fuori di detto piano (xy), in risposta ad una velocità angolare di rollio o beccheggio applicata in uso intorno ad un primo (x) o un secondo (y) asse orizzontale, appartenente a detto piano (xy) e lungo il quale dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento sono allineate.
- 11. Struttura secondo la rivendicazione 10, di tipo biassiale, comprendente inoltre una seconda coppia di masse di rilevamento, formata da una terza (10c) e da una quarta (10d) massa di rilevamento sospese al di sopra di detto substrato (36) e accoppiate a detto gruppo di azionamento (3, 4) tramite detti elementi elastici di supporto (11), e, rispettivamente a detta prima (10a) e a detta seconda (10b) massa di rilevamento di detta prima coppia, tramite ulteriori elementi elastici di supporto (39); dette terza (10c) e quarta (10d) massa di rilevamento di detta seconda coppia essendo atte ad effettuare un rispettivo movimento di rilevamento di traslazione lineare in detto piano (xy), in risposta ad una velocità angolare di imbardata applicata in uso intorno ad un asse verticale (z) trasversale a detto piano (xy).
- 12. Struttura secondo la rivendicazione 10, comprendente inoltre una seconda coppia di masse di rilevamento, formata da una terza (10c) e da una quarta (10d) massa di rilevamento sospese al di sopra di detto substrato (36) ed accoppiate a detto gruppo di azionamento (3, 4) tramite rispettivi elementi elastici di supporto (11); in cui detto elemento rigido (22) comprende un primo elemento a cornice (22a), ed un secondo elemento a cornice (22b) disposto all’interno di, e collegato a, detto primo elemento a cornice (22a), detto secondo elemento a cornice (22b) essendo vincolato in corrispondenza di detto punto di vincolo, e detto primo elemento a cornice (22a) essendo accoppiato a dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento tramite detti primi e secondi mezzi di accoppiamento elastico (24, 25), e a dette terza (10c) e quarta (10d) massa di azionamento tramite ulteriori rispettivi mezzi di accoppiamento elastico; dette terza (10c) e quarta (10d) massa di rilevamento di detta seconda coppia essendo atte ad effettuare un rispettivo movimento di rilevamento di rotazione al di fuori di detto piano (xy) in risposta ad una velocità angolare di beccheggio o rollio applicata in uso intorno ad un secondo (y) o un primo (x) asse orizzontale appartenente a detto piano (xy) e lungo il quale dette terza (10a) e quarta (10b) massa di rilevamento sono allineate.
- 13. Struttura secondo la rivendicazione 12, di tipo triassiale, comprendente inoltre una terza coppia di masse di rilevamento, formata da una quinta (10e) e da una sesta (10f) massa di rilevamento sospese al di sopra di detto substrato (36) e accoppiate a detto gruppo di azionamento (3, 4) tramite detti elementi elastici di supporto (11), e, rispettivamente a detta terza (10c) e a detta quarta (10d) massa di rilevamento di detta seconda coppia, tramite ulteriori elementi elastici di supporto (39); dette quinta (10e) e sesta (10f) massa di rilevamento di detta terza coppia essendo atte ad effettuare un rispettivo movimento di rilevamento di traslazione lineare in detto piano (xy), in risposta ad una velocità angolare di imbardata applicata in uso intorno ad un asse verticale (z) trasversale a detto piano (xy).
- 14. Dispositivo elettronico (50) comprendente una struttura integrata MEMS (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed inoltre uno stadio di lettura (52), operativamente accoppiato a detta struttura integrata MEMS (30).
- 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui detto gruppo di accoppiamento (20) à ̈ configurato in modo tale che l’insieme di dette prima (10a) e seconda (10b) massa di rilevamento presenti due modi di vibrare, uno in fase e l’altro in controfase, aventi frequenze tra loro distinte; ed in cui detto stadio di lettura (52) à ̈ configurato in modo da eliminare un contributo di detto modo di vibrare in fase, tramite un’operazione di filtraggio passa basso.
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