ITTO20090581A1 - Metodo e dispositivo di condizionamento in temperatura di un elemento - Google Patents

Description

“METODO E DISPOSITIVO DI CONDIZIONAMENTO IN TEMPERATURA DI UN ELEMENTOâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un dispositivo ed ad un metodo di condizionamento in temperatura di un elemento avente massa inferiore a 100 grammi ad almeno un valore di temperatura compreso tra -40 e 170 gradi centigradi.

In particolare, l’elemento potrebbe essere un sistema microelettromeccanico noti anche come MEMS.

I metodi noti di condizionamento del corretto funzionamento di microsistemi elettronici prevedono di collegare elettricamente il microsistema e di condizionarlo in temperatura attraverso un sistema convettivo che richiede una circolazione d’aria condizionata alla temperatura desiderata. Si rileva poi in modo sperimentale il tempo impiegato dal dispositivo per raggiungere la stessa temperatura dell’elemento convettivo condizionante.

In particolare, l’aria circola in un ambiente chiuso, all’interno del quale l’aria stessa viene progressivamente riscaldata e raffreddata.

Trascorso questo tempo, si effettuano le misure del microsistema, assumendone la temperatura ma senza la certezza della stessa. Il tempo di raggiungimento e di stabilizzazione della temperatura stessa risulta altresì spesso incompatibile con le esigenze di produzione.

E’ avvertita nel settore l’esigenza di caratterizzare la risposta del microsistema interessato a differenti temperature, nella fase di sviluppo e campionatura dello stesso, o di verificarne il corretto funzionamento in fase di produzione.

Scopo della presente invenzione à ̈ la predisposizione di un metodo di condizionamento in temperatura di un elemento avente massa inferiore a 100 grammi, il quale sia in grado di soddisfare in modo semplice ed economico la suddetta esigenza.

Il suddetto scopo à ̈ raggiunto dalla presente invenzione, in quanto essa à ̈ relativa ad un metodo di condizionamento in temperatura di un elemento avente massa inferiore a 100 grammi ad almeno un valore compreso tra -40 e 170 gradi centigradi, come definito nella rivendicazione 1.

La presente invenzione à ̈ altresì relativa ad un dispositivo di condizionamento in temperatura di un corpo avente massa inferiore a 100 grammi ad almeno un valore compreso tra -40 e 170 gradi centigradi, come definito nella rivendicazione 9.

Per una migliore comprensione della presente invenzione viene descritta nel seguito una preferita forma di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figure da 1 a 3 sono sezione trasversali di un dispositivo di condizionamento di un elemento avente massa inferiore a 100 grammi ad almeno un valore di temperatura compreso tra -40 e 170 gradi centigradi realizzato secondo l’invenzione; e

- la figura 4 Ã ̈ una vista in scala fortemente ingrandita di alcuni particolari della figura 3.

Con riferimento alla figura 1, Ã ̈ indicato con 1 un dispositivo di condizionamento in temperatura di un elemento 3 avente massa inferiore a 100 grammi ad almeno un valore di temperatura tra -40 e 170 gradi centigradi.

L’elemento 3 à ̈, nella fattispecie illustrata ed in modo non limitativo, un microsistema elettromeccanico, comunemente noto come MEMS.

Più precisamente, il corretto funzionamento viene rilevato ad una temperatura minima e massima di esercizio dell’elemento 3 corrispondenti agli estremi del suddetto intervallo. Nella fattispecie illustrata, le temperature minima e massima coincidono rispettivamente con la temperatura di -40 gradi centigradi e 170 gradi centigradi.

Nella descrizione che segue si farà riferimento, per semplicità, ad un unico dispositivo 1.

Vantaggiosamente, il dispositivo 1 comprende (figure da 1 a 3):

- una sede 10 di ricevimento dell’elemento 3;

- un condotto 11 di convogliamento attraversabile da un getto di un aeriforme ad un predeterminato valore di temperatura ed avente un’apertura 12 affacciabile alla sede 10 in modo da riscaldare per convezione l’elemento 3;

- un pressore 20 realizzato in materiale termicamente conduttore e spostabile in una posizione, in cui mantiene l’elemento 3 nella sede 10 ed à ̈ in scambio termico conduttivo con l’elemento 3 stesso; ed - un circuito 71 di alimentazione (illustrato solo in figura 3) del condotto 11 con l’aeriforme controllabile sulla base del valore di temperatura dell’elemento 3.

In particolare, il dispositivo 1 Ã ̈ collegato ad un circuito elettrico 9 di test illustrato nella figura 3. Il circuito elettrico 9 comprende, nella fattispecie illustrata, una coppia di terminali 14 collegati ad un dispositivo di test 60 (illustrato solo schematicamente nella figura 3).

In particolare, i terminali 14 sono elasticamente supportati.

L’elemento 3 à ̈, nella fattispecie illustrata, parallelepipedo e comprende (figura 4) sostanzialmente quattro pareti 31a laterali giacenti in uso su rispettivi piani verticali, una parete 31b superiore ortogonale alla parete 31a ed una parete 31c inferiore ortogonale alle pareti 31a e parallela alla parete 31b.

Pareti 31a opposte tra loro giacciono su piani paralleli tra loro e pareti 31a adiacenti tra loro giacciono su piani ortogonali tra loro.

La parete 31b comprende una porzione 29 centrale contro la quale il pressore 20 à ̈ atto a cooperare, ed una coppia di porzioni 30 affacciabili all’apertura 12 e disposte da bande laterali opposte tre loro della porzione 30.

La sede 10 à ̈ parallelepipeda e comprende quattro pareti laterali 32 cooperanti con le pareti 31a dell’elemento 3. Su ciascuna parete laterale 32 à ̈ ricavato uno scarico 33 allungato parallelamente alle pareti 31a.

Il dispositivo 1 comprende, inoltre, un condotto 80 fluidicamente collegato con un ambiente esterno e con gli scarichi 33 ed attraversabile dall’aeriforme durante la fase di condizionamento dell’elemento 3.

In tal modo, il condotto 80 e gli scarichi 33 definiscono una microcamera 50 circondante l’elemento 3 ed attraversabile dall’aeriforme durante la fase di condizionamento dell’elemento 3.

Il contorno della microcamera 50 Ã ̈ realizzato in materiale refrattario termicamente isolante.

In particolare, l’aeriforme può essere un gas inerte oppure aria filtrata e deumidificata.

Preferibilmente, il gas inerte à ̈ elio, azoto od argon.

Il dispositivo 1 comprende, inoltre, un sensore 13 di temperatura atto a misurare la temperatura dell’elemento 3 quando il condotto 11 convoglia il getto di aeriforme sull’elemento 3.

Nella fattispecie illustrata, il sensore 13 à ̈ del tipo a contatto. In alternativa, il sensore 13 potrebbe essere ad infrarossi od a conducibilità elettrica, ossia rilevare la temperatura rispettivamente tramite la variazione dell’emissione di radiazione nell’infrarosso o della conducibilità elettrica.

Il dispositivo 1 comprende, inoltre, un primo corpo 15 definente il condotto 11, ed un secondo corpo 16 definente la sede 10 e sedi 51, 53 e 52 (figura 4) cilindriche rispettivamente per i terminali 14 e per il sensore 13. Le sedi 51, 53, 52 si estendono completamente dal lato opposto della sede 10 rispetto all’apertura 12.

Il corpo 15 comprende essenzialmente un involucro 18 ed il condotto 11.

Il corpo 15 comprende, inoltre, il pressore 20. Il pressore 20 impegna il condotto 11, à ̈ circondato dall’apertura 12 ed à ̈ realizzato in materiale termicamente conduttore.

Il corpo 15 à ̈ spostabile da e verso il corpo 16 lungo una direzione verticale tra una posizione operativa in cui l’apertura 12 à ̈ in collegamento fluidico con la microcamera 50 ed il pressore 20 pressa l’elemento 3 all’interno della sede 10 contro i terminali 14, ed una posizione di riposo in cui il pressore 20 à ̈ discosto dalla microcamera 50, e, quindi, dall’elemento 3. Nella posizione di riposo, à ̈ consentita la rimozione o l’inserimento dell’elemento 3.

Più precisamente, quando il corpo 15 à ̈ nella posizione operativa, l’aeriforme attraversa il condotto 11 e giunge a contatto, tramite l’apertura 12, con la microcamera 50 e, quindi, con l’elemento 3. In altre parole, l’elemento 3 à ̈ condizionato in temperatura in parte per convezione dall’aeriforme presente nella microcamera 50.

Inoltre, quando il corpo 15 à ̈ nella prima posizione operativa, l’aeriforme presente nel condotto 11 lambisce il pressore 20, il quale, a propria volta, riscalda per contatto diretto la porzione 29 della faccia 31b dell’elemento 3. In altre parole, l’elemento 3 à ̈ riscaldato in parte per conduzione dal pressore 20.

Il pressore 20 à ̈, inoltre, lambito dall’aeriforme presente nel condotto 11.

Il pressore 20 coopera con la porzione 29 della faccia 31b dell’elemento 3 mentre le porzioni 30 della faccia 31b dell’elemento 3 sono direttamente in collegamento fluidico, tramite l’apertura 12, con il condotto 11.

Più precisamente, il pressore 20 à ̈ ammortizzato e realizzato in materiale termicamente conduttivo

I terminali 14 ed il sensore 13 presentano rispettive estremità 41, 42, 43 a contatto con la parete 31c dell’elemento 3.

Il circuito 71 Ã ̈ interposto tra la sorgente 70 ed il condotto 11. Sul circuito 71 sono interposte una resistenza elettrica 72 variabile ed una valvola 73 di regolazione della portata di aeriforme da inviare al condotto 11.

In particolare, la resistenza elettrica 72 riscalda, per effetto Joule, l’aeriforme.

La resistenza elettrica 72 e la valvola 73 sono comandate, in anello chiuso, sulla base della misura del sensore 13 in modo da regolare la portata, la pressione e la temperatura dell’aeriforme da addurre nel condotto 11.

Il funzionamento del dispositivo 1 viene descritto a partire da una condizione in cui il corpo 15 à ̈ nella rispettiva posizione di riposo (Figura 1) e l’elemento 3 à ̈ alloggiato nella sede 10.

A questo punto, il corpo 15 viene abbassato nella posizione operative (Figura 3), il pressore 20 mantiene l’elemento 3 nella sede 10 e l’aeriforme viene convogliato nel condotto 11.

Più in particolare, l’aeriforme viene convogliato in modo continuo nel condotto 11 ad un primo valore di temperatura, ad esempio - 40 gradi centigradi, corrispondente ad un limite inferiore della temperatura di esercizio dell’elemento 3.

Tramite l’apertura 12, il getto di aeriforme al primo valore di temperatura raggiunge in modo continuo la microcamera 50 e, quindi, lambisce l’elemento 3.

Contemporaneamente, l’aeriforme attraversante il condotto 11 lambisce il pressore 20 e lo porta al primo valore di temperatura. Il pressore 20, a propria volta, condiziona al secondo valore di temperatura l’elemento 3.

In altre parole, l’elemento 3 à ̈ condizionato in temperatura sia per conduzione dal pressore 20 che per convezione dall’aeriforme presente nella microcamera 50.

Il sensore 13 rileva che l’elemento 3 à ̈ al primo valore di temperatura ed il circuito 9, tramite i terminali 14, verifica il corretto funzionamento dell’elemento 3.

La valvola 73 e la resistenza elettrica 72 sono comandate in anello chiusa sulla base della misura di temperatura eseguita dal sensore 13 in modo da addurre nel condotto 11 una portata di aeriforme a una data temperatura e pressione da assicurare che l’elemento 3 sia al primo valore di temperatura.

Di seguito, l’aeriforme viene convogliato nel condotto 11 ad un secondo valore di temperatura, ad esempio 170 gradi centigradi, corrispondente ad un limite superiore della temperatura di esercizio dell’elemento 3.

Tramite l’apertura 12, il getto di aeriforme al secondo valore di temperatura raggiungono la sede 10 e, quindi, contro l’elemento 3.

Contemporaneamente, l’aeriforme attraversante il condotto 11 lambisce il pressore 20 e lo porta al secondo valore di temperatura. Il pressore 20, a propria volta, riscalda gli elementi 3.

In altre parole, l’elemento 3 à ̈ condizionato in temperatura sia per contatto con il pressore 20 che per conduzione con l’aeriforme presente nella microcamera 50.

Il sensore 13 rileva che l’elemento 3 à ̈ al secondo valore di temperatura ed il circuito 9, tramite i terminali 14, verifica il corretto funzionamento dell’elemento 3.

La valvola 73 e la resistenza elettrica 72 sono comandate in anello chiuso sulla base della misura di temperatura eseguita dal sensore 13 in modo da addurre nel condotto 11 una portata di aeriforme a una data temperatura da assicurare che l’elemento 3 sia al secondo valore di temperatura.

A questo punto, il corpo 15 si porta nella posizione di riposo, l’elemento 3 viene disimpegnato dalla sede 10 ed un nuovo elemento 3 viene caricato nella sede 10.

L’aeriforme dopo aver condizionato l’elemento 3 fuoriesce all’esterno del dispositivo 1 tramite il condotto 80.

Da un esame delle caratteristiche del metodo e del dispositivo 1 di condizionamento realizzato secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che essa consente di ottenere.

In particolare, l’elemento 3 à ̈ riscaldato (o raffreddato) per convenzione dall’aeriforme presente nella microcamera 50 e per conduzione dal pressore 20. Il condotto 11 che adduce l’aeriforme à ̈, a propria volta, controllato in catena chiusa dal sensore 13 di temperatura.

Pertanto, il metodo ed il dispositivo 1 secondo l’invenzione consentono di condizionare l’elemento 3 ai suddetti primo e secondo valore di temperatura con un’elevata precisione, rapidità ed accuratezza.

Tali elevate precisione, rapidità ed accuratezza vengono raggiunti grazie al fatto che l’elemento 3 à ̈ circondata da una microcamera 50 attraversata in modo continuo da un flusso di aeriforme verso un ambiente esterno.

Risulta infine chiaro che al metodo ed al dispositivo 1 di condizionamento qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di protezione definito dalle rivendicazioni.

In particolare, i sensori 13 potrebbero essere in un’altra posizione.

Claims (1)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Metodo di condizionamento in temperatura di un elemento (3) avente massa inferiore a 100 grammi ad almeno un valore di temperatura compresa tra -40 e 170 gradi centigradi, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - alloggiare il detto elemento (3) in una sede (10); - condizionare in temperatura un pressore (20) realizzato in materiale termicamente conduttore; - pressare il detto elemento (3) all’interno della detta sede (10) tramite il detto pressore (20) in modo da trasferire il calore per conduzione; - convogliare un getto di un aeriforme al detto valore di temperatura sul detto elemento (3) in modo da trasferire il calore per convezione durante la detta fase di pressare; e - controllare almeno una tra la portata, la pressione e la temperatura del detto getto di aeriforme sulla base del valore di temperatura del detto elemento (3). 2.- Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta fase di convogliare comprende la fase di convogliare in continuo il detto getto in una microcamera (50) circondante il detto elemento (3) ed aperta verso un ambiente esterno. 3.- Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la detta fase di condizionare in temperatura il detto pressore (20) comprende la fase di lambire il detto pressore (20) con il detto getto di aeriforme. 4.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - misurare la temperatura del detto elemento (3) durante le dette fasi di convogliare; e - utilizzare la misura di temperatura per controllare in anello chiuso la detta almeno una tra la temperatura, la pressione e la portata del detto aeriforme attraversante il detto condotto (11). 5.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta fase di convogliare il detto aeriforme comprende la fase di convogliare almeno uno tra un gas inerte e aria deumidificata. 6.- Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la detta fase di convogliare il detto aeriforme comprende la fase di convogliare un gas inerte scelto nel gruppo costituito tra azoto, elio ed argon. 7.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta fase di convogliare il detto getto comprende la fase di convogliare il detto getto in un campo di temperature comprendente il detto predeterminato valore di temperatura. 8.- Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di convogliare il detto getto ad una prima ed una seconda temperatura distinte tra loro. 9.- Dispositivo di condizionamento (1) in temperatura di un elemento (3) avente massa inferiore a 100 grammi ad almeno un valore di temperatura compreso tra -40 e 170 gradi centigradi, caratterizzato dal fatto di comprendere: - una sede (10) di ricevimento del detto elemento (3); - un condotto (11) di convogliamento attraversabile da un getto di un aeriforme al detto predeterminato valore di temperatura ed avente un’apertura (12) affacciabile alla detta sede (10) in modo da condizionare in temperatura per convezione il detto elemento (3); - un pressore (20) realizzato in materiale termicamente conduttore e spostabile in un posizione in cui mantiene il detto elemento (3) all’interno della detta sede (10) ed à ̈ in scambio termico conduttivo con il detto elemento (3); ed - un circuito (71) di alimentazione del detto condotto (11) con il detto aeriforme controllabile sulla base del valore di temperatura del detto elemento (3). 10.- Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di misura (13) della temperatura collegabili con la detta sede (10) per rilevare la temperatura del detto elemento (3). 11.- Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il detto pressore (20), quando à ̈ nella detta posizione, coopera con una porzione del detto elemento (3) disposta da un primo lato della detta sede (10), e dal fatto che i detti mezzi di misura (13) comprendono un sensore (13) collegato con il detto elemento (3) in corrispondenza di un secondo lato, opposto al detto primo lato, della detta sede (10). 12.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo ed un secondo corpo (15, 16) definenti rispettivamente il detto condotto (11) e la detta sede (10); il detto primo corpo (15) essendo spostabile da e verso il detto secondo corpo (16) tra una prima posizione in cui la detta apertura (12) à ̈ fluidicamente collegata con la detta sede (10), ed una seconda posizione in cui la detta apertura (12) e la detta sede (10) sono distanziate. 13.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, caratterizzato dal fatto che il detto circuito (71) comprende una valvola (73) di regolazione ed un dispositivo (72) di riscaldamento del detto aeriforme, e dal fatto che almeno uno tra la detta valvola (73) ed il detto dispositivo (72) sono comandabili in anello chiuso sulla base della temperatura del detto elemento (3) per variare la pressione e/o la portata del detto getto. 14.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 13, caratterizzato dal fatto di comprendere una microcamera (50) circondante la detta sede (10), fluidicamente collegabile con il detto condotto (11) e con un ambiente esterno al detto dispositivo (1) in modo da risultare attraversabile in modo continuo da un getto del detto aeriforme avanzante tra il detto condotto (11) ed il detto ambiente esterno.