ITTO20110687A1 - Sensore microelettromeccanico con prestazioni differenziate e metodo di controllo di un sensore microelettromeccanico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“SENSORE MICROELETTROMECCANICO CON PRESTAZIONI DIFFERENZIATE E METODO DI CONTROLLO DI UN SENSORE MICROELETTROMECCANICOâ€

La presente invenzione à ̈ relativa a un sensore microelettromeccanico con prestazioni differenziate e a un metodo di controllo di un sensore microelettromeccanico.

Come à ̈ noto, l’impiego di sistemi microelettromeccanici o MEMS (dall’inglese “Micro-Electro-Mechanical Systems†) si à ̈ andato sempre più diffondendo in vari settori della tecnologia e ha dato risultati incoraggianti specialmente nella realizzazione di sensori inerziali, giroscopi microintegrati, e oscillatori elettromeccanici per svariate applicazioni.

I sistemi MEMS di questo tipo sono di solito basati su strutture microelettromeccaniche comprendenti almeno una massa collegata a un corpo fisso (statore) mediante molle e mobile rispetto allo statore secondo prefissati gradi di libertà. La massa mobile e lo statore sono accoppiati capacitivamente mediante una pluralità di rispettivi elettrodi interdigitati e reciprocamente affacciati, in modo da formare dei condensatori. Il movimento della massa mobile rispetto allo statore, ad esempio a causa di una sollecitazione esterna, modifica la capacità dei condensatori; da qui si può risalire allo spostamento relativo della massa mobile rispetto al corpo fisso e quindi alla forza applicata. Viceversa, fornendo opportune tensioni di polarizzazione, à ̈ possibile applicare una forza elettrostatica alla massa mobile per metterla in movimento. Inoltre, per realizzare oscillatori elettromeccanici si sfrutta la risposta in frequenza delle strutture MEMS inerziali, che tipicamente à ̈ di tipo passa-basso del secondo ordine, con una frequenza di risonanza.

In particolare, i giroscopi MEMS hanno una struttura elettromeccanica più complessa, che comprende due masse mobili rispetto allo statore e accoppiate fra loro in modo da avere un grado di libertà relativo. Le due masse mobili sono entrambe capacitivamente accoppiate allo statore. Una delle masse à ̈ dedicata al pilotaggio e viene mantenuta in oscillazione alla frequenza di risonanza. L’altra massa viene trascinata nel moto oscillatorio (traslatorio o rotatorio) e, in caso di rotazione della microstruttura rispetto a un asse giroscopico prefissato con una velocità angolare, à ̈ soggetta a una forza di Coriolis proporzionale alla velocità angolare stessa. In pratica, la massa trascinata, che à ̈ accoppiata capacitivamente al corpo fisso mediante elettrodi, come la massa di pilotaggio, opera come un accelerometro che consente di rilevare la forza e l’accelerazione di Coriolis e quindi di risalire alla velocità angolare.

Nonostante la sempre più ampia diffusione, le possibilità di sfruttare i sensori inerziali MEMS sono limitate da una certa rigidità di utilizzo del singolo dispositivo. In particolare, le prestazioni in termini di sensibilità, scala e reiezione del rumore non possono essere modificate e quindi ciascun sensore può essere destinato a una singola applicazione.

Al contrario, l’esigenza di sfruttare in modo flessibile uno stesso sensore à ̈ estremamente sentita nell’elettronica moderna. Ad esempio, nei dispositivi elettronici portatili, specialmente nei telefoni cellulari, numerose funzioni sono basate su sensori inerziali. Sempre più spesso, infatti, tali dispositivi includono funzioni di ripresa (stabilizzazione di immagini), funzioni di visualizzazione (orientazione di immagini nello schermo), funzioni di gioco (in cui il dispositivo stesso à ̈ utilizzato come controllore), funzioni di monitoraggio o emergenza (rivelazione di caduta libera o di urti) e funzioni ausiliarie (pedometro), che sono disponibili grazie ai sensori inerziali o comunque potrebbero beneficiare del loro impiego.

Ogni funzione, tuttavia, richiede prestazioni diverse. Ad esempio, per la stabilizzazione di immagini à ̈ necessario rilevare con precisione movimenti molto piccoli, legati al naturale tremolio delle mani dell’utente. Per contro, per rilevare urti potenzialmente dannosi per il dispositivo à ̈ sufficiente riconoscere in modo piuttosto grossolano il superamento di soglie di accelerazione e l’influenza del rumore à ̈ trascurabile. D’altra parte, il tempo dedicato alla stabilizzazione di immagini à ̈ generalmente limitato e quindi il consumo di potenza à ̈ un parametro secondario. Molte funzioni di monitoraggio ed emergenza, invece, sono eseguite in modo continuo finché il dispositivo à ̈ in funzione. Per evitare di limitare pesantemente l’autonomia, quindi, la riduzione dei consumi à ̈ essenziale. Ancora, prestazioni diverse possono essere richieste anche da una stessa applicazione. Un videogioco potrebbe privilegiare per esempio il controllo fine del movimento in alcune fasi e la rapidità a scapito della precisione in altre. Un altro campo nel quale sono richieste prestazioni diverse à ̈ la cosiddetta realtà aumentata, specialmente in applicazioni dedicate a dispositivi portatili come telefoni cellulari o calcolatori palmari. In questo caso, c’à ̈ la necessità di rilevare movimenti macroscopici del controllore (ad esempio il telefono cellulare stesso) e, allo stesso tempo, eseguire funzioni di stabilizzazione di immagine.

Sarebbe quindi desiderabile poter utilizzare i sensori inerziali MEMS in modo più flessibile.

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un sensore microelettromeccanico e un metodo di controllo di un sensore microelettromeccanico che siano privi delle limitazioni descritte e, in particolare, consentano un utilizzo flessibile del dispositivo.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un sensore microelettromeccanico e un metodo di controllo di un sensore microelettromeccanico come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 14.

Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne verranno ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un sensore microelettromeccanico, in particolare un giroscopio microelettromeccanico, in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2 à ̈ una vista in pianta dall’alto di un dettaglio ingrandito del sensore di figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ un grafico relativo a segnali utilizzati nel giroscopio di figura 1;

- la figura 4 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un sensore microelettromeccanico, in particolare un giroscopio microelettromeccanico, in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 5 à ̈ uno schema a blocchi semplificato di un sensore microelettromeccanico, in particolare un giroscopio microelettromeccanico, in accordo a un’ulteriore diversa forma di realizzazione della presente invenzione; e - la figura 6 à ̈ uno schema a blocchi semplificato di un sistema elettronico incorporante un sensore microelettromeccanico secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

La figura 1 illustra schematicamente un giroscopio 1 microelettromeccanico triassiale in accordo a una forma di realizzazione del’invenzione. Il giroscopio 1 comprende una microstruttura 2, un dispositivo di pilotaggio 3, un dispositivo di rilevamento 5 e un’unità di controllo 50.

La microstruttura 2 à ̈ ad esempio del tipo descritto in dettaglio nella domanda di brevetto europea pubblicata EP-A-1 832 841 e nella corrispondente domanda di brevetto statunitense pubblicata US 2007/0214883 A1 e comprende una struttura fissa 6, una massa di pilotaggio 7, e tre sistemi di masse di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z. In figura 1, tuttavia, la microstruttura 2 à ̈ raffigurata solo in modo schematico, per semplicità.

La massa di pilotaggio 7 à ̈ connessa elasticamente mediante sospensioni (non mostrate) alla struttura fissa 6 in modo da poter oscillare in un piano XY attorno a una posizione di riposo secondo un grado di libertà, in questo caso rotatorio.

Con riferimento ai movimenti della massa di pilotaggio 7 e delle massa di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z, inoltre, le espressioni “secondo un asse†e “in accordo a un asse†verranno utilizzate per indicare movimenti lungo un asse o attorno a un asse, secondo che i movimenti consentiti alle masse dai rispettivi gradi di libertà siano traslatori oppure rotatori, rispettivamente. Analogamente, le espressioni “secondo un grado di libertà†e “in accordo a un grado di libertà†saranno utilizzate per indicare movimenti traslatori o rotatori, come consentito dal grado di libertà medesimo.

Le masse di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z sono meccanicamente accoppiate alla massa di pilotaggio 7 in modo da essere trascinate in moto secondo il grado di libertà rotatorio della massa di pilotaggio 7 stessa. Inoltre, le masse di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z sono connesse elasticamente alla massa di pilotaggio 7 in modo da oscillare a loro volta rispetto alla massa di pilotaggio 7 stessa, con rispettivi ulteriore grado di libertà traslatori o rotatori, in risposta a rotazioni della microstruttura 2 attorno a rispettivi assi di rilevamento X, Y, Z fra loro perpendicolari.

Le masse di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z sono accoppiate capacitivamente alla struttura fissa 6 attraverso rispettivi gruppi di elettrodi di rilevamento 15-X, 15-Y, 15-Z (qui non mostrati singolarmente e illustrati in modo schematico come condensatori), collegati a rispettive coppie di terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z. I gruppi di elettrodi di rilevamento 15-X, 15-Y, 15-Z sono conformati in modo che l’accoppiamento capacitivo in modo differenziale

Come mostrato in figura 2, che si riferisce in particolare alla massa di rilevamento 8-X, i gruppi di elettrodi di rilevamento 15-X, 15-Y, 15-Z comprendono elettrodi fissi di rilevamento 15a, 15b, ancorati alla struttura fissa 6, ed elettrodi mobili di rilevamento 15c. Ciascuna massa di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z à ̈ provvista di rispettivi elettrodi mobili di rilevamento 15c, che sono interposti fra rispettivi elettrodi fissi di rilevamento 15a, 15b (solo la massa di rilevamento 8-X à ̈ mostrata in figura 2, per semplicità). Inoltre, gli elettrodi fissi di rilevamento 15a dei gruppi di rilevamento 15-X, 15-Y, 15-Z sono elettricamente collegati a rispettivi terminali delle coppie di terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z; e gli elettrodi fissi di rilevamento 15b dei gruppi di rilevamento 15-X, 15-Y, 15-Z sono elettricamente collegati a ulteriori rispettivi terminali delle coppie di terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z.

In questo caso, l’accoppiamento capacitivo à ̈ ottenuto mediante elettrodi a piatti paralleli, perpendicolari all’asse Y. L’accoppiamento à ̈ inoltre di tipo differenziale ed à ̈ determinato dalla posizione relativa delle masse di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z rispetto alla struttura fissa 6. Pertanto, segnali di trasduzione ±DQX, ±DQY, ±DQZdifferenziali rilevati ai terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z sono indicativi dell’accoppiamento capacitivo e quindi della relativa delle masse di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z rispetto alla struttura fissa 6, la quale à ̈ a sua volta indicativa della velocità angolare della struttura fissa 6 rispetto all’asse Y.

Il dispositivo di pilotaggio 3 à ̈ collegato alla microstruttura 2 in modo da formare, con la massa di pilotaggio 7, un anello microelettromeccanico 19. Il dispositivo di pilotaggio 3 à ̈ configurato in modo da mantenere l’anello microelettromeccanico 19 in oscillazione con ampiezza controllata, a una frequenza di pilotaggio wDprossima alla frequenza di risonanza wRdel sistema meccanico definito dalla massa di pilotaggio 7 (con la massa di rilevamento 8) collegata alla struttura fissa 6. Inoltre, il dispositivo di pilotaggio 3 fornisce un segnale portante VCdi frequenza pari alla frequenza di pilotaggio wDe in fase con le oscillazioni dell’anello microelettromeccanico 19.

Il dispositivo di rilevamento 5 comprende, nella forma di realizzazione qui descritta, tre catene di lettura 5a, 5b, 5c, collegate in parallelo a tutti i terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z, e un’interfaccia di uscita 9. Le catene di lettura 5a, 5b, 5c sono selettivamente attivabili e disattivabili mediante rispettivi segnali di abilitazione EN1, EN2, EN3 forniti dall’unità di controllo 50.

Ciascuna catena di lettura 5a, 5b, 5c comprende un rispettivo multiplexer 20a, 20b, 20c, una rispettiva interfaccia di lettura 21a, 21b, 21c, un rispettivo demodulatore 22a, 22b, 22c, un rispettivo filtro passabasso 23a, 23b, 23c, un rispettivo convertitore analogicodigitale 25a, 25b, 25c e un rispettivo modulo di elaborazione digitale 26a, 26b, 26c. Si intende comunque che l’invenzione può essere vantaggiosamente sfruttata anche in dispositivi analogici.

Qui di seguito, si farà per semplicità riferimento alla catena di lettura 5a, intendendo che le catene di lettura 5b, 5c sono strutturalmente analoghe, salvo quanto specificato più avanti in merito a parametri operativi dei componenti e al controllo dei multiplexer 20a, 20b, 20c.

L’interfaccia di lettura 21 à ̈ un amplificatore di carica a condensatori commutati completamente differenziale e ha un guadagno G1.

L’interfaccia di lettura 21 à ̈ selettivamente collegabile a rotazione ai terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z attraverso il multiplexer 20a, che à ̈ controllato da un segnale di selezione SEL1 fornito dall’unità di controllo 50. L’interfaccia di lettura 21a riceve dai terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z segnali elettrici di rilevamento (pacchetti di carica nella forma di realizzazione descritta) e li converte in rispettivi segnali di trasduzione integrati VTX1, VTY1, VTZ1. Il segnale di abilitazione EN1 permette di attivare e disattivare l’interfaccia di lettura 21a e gli altri componenti della catena di lettura 5a.

Il demodulatore 22a riceve in successione ciclica i segnali di trasduzione integrati VTX1, VTY1, VTZ1dall’interfaccia di lettura 21a. Inoltre, un ingresso di demodulazione 28a del demodulatore 22a à ̈ collegato al dispositivo di pilotaggio 3 per ricevere il segnale portante VC. I segnali di trasduzione integrati VTX1, VTY1, VTZ1vengono demodulati utilizzando il segnale portante VC. Sull’uscita del demodulatore 22 sono quindi ciclicamente presenti segnali demodulati VDX1, VDY1, VDZ1(in altre parole, il segnale presente sull’uscita del demodulatore 22 à ̈ rappresentativo ciclicamente dei movimenti delle masse di rilevamento 8-X, 8-Y, 8-Z, i quali sono dovuti a rotazioni rispettivamente attorno agli assi X, Y, Z).

I segnali demodulati VDX1, VDY1, VDZ1vengono quindi filtrati dal filtro passa-basso 23a, digitalizzati dal convertitore analogico-digitale 25a ed elaborati numericamente dal modulo di elaborazione digitale 26a.

Ulteriori parametri operativi del filtro passa-basso 23a e del convertitore analogico-digitale 25a determinano le prestazioni della catena di lettura 5a. Sia il filtro passa-basso 23a, sia il convertitore analogico-digitale 25a possono introdurre rispettive componenti di guadagno (eventualmente unitarie), che, con il guadagno G1 dell’interfaccia di lettura, fissano la scala di misura per la catena di lettura 5a. Inoltre, gli stessi componenti concorrono a definire la banda della catena di lettura 5a e introducono componenti di rumore. Le componenti di rumore dell’intera catena di lettura 5a sono convenientemente rappresentate mediante un generatore di rumore in ingresso all’interfaccia di lettura 21a e sono qui indicate con N1.

Il modulo di elaborazione digitale 26a elabora i segnali demodulati VDX1, VDY1, VDZ1dopo la digitalizzazione come richiesto dall’applicazione per la quale viene utilizzata la catena di lettura 5a. In una forma di realizzazione, il modulo di elaborazione digitale 26a presenta all’interfaccia di uscita 9 segnali di velocità angolare VWX1, VWY1, VWZ1rappresentativi di prime misure della velocità angolare della microstruttura 6 rispettivamente attorno agli assi X, Y, Z.

Come accennato in precedenza, le catene di lettura 5b, 5c hanno la stessa struttura descritta per la catena di lettura 5a. In particolare, l’interfaccia di lettura 21b della catena di lettura 5b fornisce segnali di trasduzione integrati VTX2, VTY2, VTZ2, che vengono demodulati, filtrati digitalizzati ed elaborati dal demodulatore 22b, dal filtro passa-basso 23b, dal convertitore analogico-digitale 25b e dal modulo di elaborazione digitale 26b, per produrre segnali di velocità angolare VWX2, VWY2, VWZ2rappresentativi di seconde misure della velocità angolare della microstruttura 6 rispettivamente attorno agli assi X, Y, Z; e l’interfaccia di lettura 21c della catena di lettura 5c fornisce segnali di trasduzione integrati VTX3, VTY3, VTZ3, che vengono demodulati, filtrati digitalizzati ed elaborati dal demodulatore 22c, dal filtro passa-basso 23c, dal convertitore analogico-digitale 25c e dal modulo di elaborazione digitale 26c, per produrre segnali di velocità angolare VWX3, VWY3, VWZ3rappresentativi di terze misure della velocità angolare della microstruttura 6 rispettivamente attorno agli assi X, Y, Z.

Tuttavia, le tre catene di lettura 5a, 5b, 5c si distinguono per le caratteristiche dei loro componenti, che determinano le prestazioni e la scala di misura. Ad esempio, le catene di lettura 5b, 5c hanno rispettivi guadagni G2, G3. Allo stesso modo, anche i filtri passabasso 23b, 23c e i convertitori analogico-digitale 25b, 25c possono introdurre rispettive componenti di guadagno. Tutti gli elementi delle catene di lettura 5b, 5c definiscono le rispettive bande complessive e introducono componenti di rumore N2, N3, che sono qui rappresentate mediante generatori di rumore in ingresso alle rispettive interfacce i lettura 21b, 21c. I parametri operativi delle tre catene di lettura 5a, 5b, 5c (in particolare, guadagno complessivo, banda e rumore in ingresso) sono diversi, in modo che anche le prestazioni siano diverse.

Le catene di lettura 5a, 5b, 5c possono essere utilizzate contemporaneamente, gestendo la connessione ai terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z mediante i multiplexer 20a, 20b, 20c come di seguito descritto.

I multiplexer 20a, 20b, 20c sono controllati dall’unità di controllo 50 mediante i segnali di selezione SEL1, SEL2, SEL3, rispettivamente. Come mostrato in figura 3, i segnali di selezione SEL1, SEL2, SEL3 hanno tre valori SX, SY, SZ che causano la connessione della rispettiva catena di lettura rispettivamente ai terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z. Inoltre, i segnali di selezione SEL1, SEL2, SEL3 assumono a rotazione i valori SX, SY, SZ e, a ogni istante, sono diversi fra loro. Ad esempio, in un intervallo di tempo T1 i segnali di selezione SEL1, SEL2, SEL3 hanno rispettivamente i valori SX, SY, SZ e quindi le interfacce di lettura 21a, 21b, 21c sono rispettivamente accoppiate ai terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z. In un intervallo T2 consecutivo all’intervallo T1, i segnali di selezione SEL1, SEL2, SEL3 hanno rispettivamente i valori SY, SZ, SX e in un intervallo T3 consecutivo all’intervallo T2, i segnali di selezione SEL1, SEL2, SEL3 hanno rispettivamente i valori SZ, SX, SY. In questo modo si evita la connessione simultanea di due catene di lettura alla stessa coppia di terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z, cosa che produrrebbe effetti impredicibili.

In una forma di realizzazione alternativa, i tre multiplexer 20a, 20b, 20c sono sostituiti da un unico multiplexer che collega le interfacce di lettura 21a, 21b, 21c ai terminali di rilevamento 16-X, 16-Y, 16-Z sostanzialmente secondo lo stesso criterio già descritto.

Il dispositivo descritto permette di utilizzare la stessa struttura microelettromeccanica per applicazioni diverse, che richiedono prestazioni dissimili. Ad esempio, selezionando i parametri operativi (in particolare guadagni, banda e rumore riferito all’ingresso) à ̈ possibile avere a disposizione letture su scale diverse e ottimizzare le prestazioni secondo le esigenze delle applicazioni. La scelta dei parametri operativi permette di privilegiare la precisione in particolare per quanto riguarda la reiezione del rumore, o i consumi. Infatti, ad alte correnti nelle interfacce di lettura corrispondono bassa sensibilità al rumore e consumi elevati. Viceversa, se le correnti nelle interfacce di lettura sono basse la sensibilità al rumore à ̈ più marcata, ma i consumi sono inferiori.

Inoltre, nella forma di realizzazione descritta le diverse prestazioni delle catene di lettura possono essere sfruttate per applicazioni da eseguire simultaneamente (come un’applicazione principale e un’applicazione nascosta o in “background†), perché le catene di lettura possono accedere a divisione di tempo ai terminali di rilevamento.

La figura 4 illustra una diversa forma di realizzazione dell’invenzione. In questo caso, un giroscopio 100 comprende una microstruttura 102 e un dispositivo di pilotaggio 103, sostanzialmente come già descritto con riferimento alla figura 1. Il giroscopio 100 comprende, inoltre, un dispositivo di rilevamento 105, un multiplexer 120, un’interfaccia di uscita 109 e un’unità di controllo 150.

Il dispositivo di lettura 105 comprende un’interfaccia di lettura 121 e due catene di lettura 105a, 105b, entrambe accoppiate a uscite dell’interfaccia di lettura 121.

L’interfaccia di lettura 121 à ̈ un amplificatore di carica completamente differenziale a condensatori commutati e ha ingressi selettivamente collegabili a terminali di rilevamento 116-X, 116-Y, 116-Z della microstruttura 102 attraverso il multiplexer 120. A questo scopo, il multiplexer 120 à ̈ controllato dall’unità di controllo 150 mediante un segnale di selezione SEL, in modo che gli ingressi dell’interfaccia di lettura 121 siano collegati ai terminali di rilevamento 116-X, 116-Y, 116-Z a rotazione.

Nella forma di realizzazione di figura 4, le due catene di lettura 105a, 105b comprendono rispettivi demodulatori 122a, 122b, rispettivi filtri passa-basso 123a, 123b, rispettivi convertitori analogico-digitale 125a, 125b, e rispettivi moduli di elaborazione digitale 126a, 126b.

In figura 5 à ̈ illustrato un giroscopio 200 microelettromeccanico monoassiale, che comprende una microstruttura 202, un dispositivo di pilotaggio 203, un dispositivo di rilevamento 205, un’interfaccia di uscita 209 e un’unità di controllo 250.

La microstruttura 202, raffigurata solo in modo schematico in figura 5, comprende una struttura fissa 206, una massa di pilotaggio 207 una massa di rilevamento 208. La massa di pilotaggio 207 à ̈ connessa elasticamente mediante sospensioni (non mostrate) alla struttura fissa 206 in modo da poter oscillare in un piano attorno a una posizione di riposo secondo un grado di libertà, in questo caso rotatorio. La massa di rilevamento 208 à ̈ meccanicamente accoppiata alla massa di pilotaggio 207 in modo da essere trascinata in moto secondo il grado di libertà rotatorio della massa di pilotaggio 207 stessa. Inoltre, la massa di rilevamento 208 à ̈ connessa elasticamente alla massa di pilotaggio 207 in modo da oscillare a sua volta rispetto alla massa di pilotaggio 207 stessa, con un rispettivo ulteriore grado di libertà traslatorio o rotatorio, in risposta a rotazioni della microstruttura 202 attorno a un asse di rilevamento.

La massa di rilevamento 208 à ̈ accoppiata capacitivamente in modo differenziale alla struttura fissa 206 attraverso elettrodi di rilevamento 216 (qui non mostrati singolarmente e illustrati in modo schematico come condensatori), collegati a una coppia di terminali di rilevamento 216. Gli elettrodi di rilevamento 216 sono conformati in modo che, in presenza di un segnale elettrico sui terminali di rilevamento 216, la massa di rilevamento 208 à ̈ soggetta a forze elettrostatiche secondo il rispettivo grado di libertà.

Il dispositivo di rilevamento 205 comprende due catene di lettura 205a, 205b alternativamente collegabili a uscite della microstruttura 202 attraverso un multiplexer 220, controllato dall’unità di controllo 250 mediante un segnale di selezione SEL.

L’unità di controllo 250 genera inoltre segnali di abilitazione EN1, EN2, che hanno un valore di attivazione e un valore di disattivazione per alternativamente attivare e disattivare rispettivamente le catene di lettura 205a, 205b.

Più in dettaglio, le catene di lettura 205a, 205b comprendono rispettive interfacce di lettura 221a, 221b, rispettivi demodulatori 222a, 222b, rispettivi filtri passa-basso 223a, 223b, rispettivi convertitori analogicodigitale 225a, 225b, e rispettivi moduli di elaborazione digitale 226a, 226b. Le interfacce di lettura 221a, 221b ricevono i segnali di abilitazione EN1, EN2 dall’unità di controllo 250 e vengono preferibilmente disattivate quando non sono connesse alla microstruttura 202.

In una forma di realizzazione non mostrata, il multiplexer 220 à ̈ assente e la connessione simultanea delle catene di lettura 205a, 205b alla microstruttura 202 viene evitata configurando l’unità di controllo 250 in modo che in ogni circostanza almeno uno dei segnali di abilitazione EN1, EN2 abbia il valore di disattivazione.

In questo modo, à ̈ possibile utilizzare un numero di catene di lettura superiore al numero di masse di rilevamento e quindi possono essere realizzate più funzioni che richiedono prestazioni diverse del giroscopio.

In figura 6 à ̈ illustrata una porzione di un sistema elettronico 300 in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione. Il sistema 300 incorpora il giroscopio 1 e può essere utilizzato in dispositivi come, ad esempio, un calcolatore palmare (personal digital assistant, PDA), calcolatore “laptop†o portatile, eventualmente con capacità “wireless†, un telefono cellulare, un dispositivo di messaggistica, un lettore musicale digitale, una camera digitale o altri dispositivi atti a elaborare, immagazzinare, trasmettere o ricevere informazioni. Ad esempio, il giroscopio 1 può essere utilizzato in una camera digitale per rilevare movimenti ed effettuare una stabilizzazione di immagine. In un’ulteriore forma di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incluso in un’interfaccia utente attivata da movimento per calcolatori o console per videogiochi. In un’ulteriore forma di realizzazione, il giroscopio 1 à ̈ incorporato in un dispositivo di navigazione satellitare ed à ̈ utilizzato per il tracciamento temporaneo di posizione in caso di perdita del segnale di posizionamento satellitare.

Il sistema elettronico 300 può comprendere un controllore 310, un dispositivo di ingresso/uscita (I/O) 320 (ad esempio una tastiera o uno schermo), il giroscopio 1, un’interfaccia “wireless†340 e una memoria 360, di tipo volatile o non volatile, accoppiati fra loro attraverso un bus 350. in una forma di realizzazione, una batteria 380 può essere utilizzata per alimentare il sistema 300. Si noti che l’ambito della presente invenzione non à ̈ limitato a forme di realizzazione aventi necessariamente uno o tutti i dispositivi elencati.

Il controllore 310 può comprendere, ad esempio, uno o più microprocessori, microcontrollori e simili.

Il dispositivo di I/O 320 può essere utilizzato per generare un messaggio. Il sistema 300 può utilizzare l’interfaccia wireless 340 per trasmettere e ricevere messaggi a e da una rete di comunicazione wireless con un segnale a radiofrequenza (RF). Esempi di interfaccia wireless possono comprendere un’antenna, un ricetrasmettitore wireless, come un’antenna a dipolo, benché l’ambito della presente invenzione non sia limitato sotto questo aspetto. Inoltre, il dispositivo I/O 320 può fornire una tensione rappresentativa di ciò che à ̈ memorizzato sia in forma di uscita digitale (se sono state immagazzinate informazioni digitali), sia in forma di informazione analogica (se sono state immagazzinate informazioni analogiche).

Al dispositivo e al procedimento descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definita nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, l’invenzione può essere vantaggiosamente impiegata per sensori microelettromeccanici diversi dai giroscopi descritti, come, ad esempio, accelerometri microelettromeccanici con qualunque struttura.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore microelettromeccanico comprendente: una struttura di supporto (6; 106; 206); una prima massa di rilevamento (8-X; 108-X; 208), elasticamente connessa alla struttura di supporto (6; 106; 206), mobile rispetto alla struttura di supporto (6; 106; 206) in accordo a un primo grado di libertà, in risposta a movimenti della struttura di supporto (6; 106; 206) in accordo a un primo asse, e accoppiata alla struttura di supporto (6) attraverso un primo accoppiamento capacitivo (15-X; 115-X; 215) variabile in funzione di una posizione relativa della prima massa di rilevamento (8-X; 108-X; 208) rispetto alla struttura di supporto (6; 106; 206); un dispositivo di rilevamento (5; 105; 205), configurato per rilevare, a primi terminali (16-X; 116-X; 216) del primo accoppiamento capacitivo (15-X; 115-X; 215), segnali di trasduzione (±DQX, ±DQY, ±DQZ) indicativi di spostamenti della prima massa di rilevamento (8-X; 108-X; 208) in accordo al primo grado di libertà e per convertire i segnali di trasduzione (±DQX, ±DQY, ±DQZ) in segnali di misura (VWX1, VWY1, VWZ1, VWX2, VWY2, VWZ2, VWX3, VWY3, VWZ3); caratterizzato dal fatto che il dispositivo di rilevamento (5; 105; 205) comprende: almeno una prima catena di lettura (5a; 105a; 205a), avente primi parametri operativi (G1, N1), e una seconda catena di lettura (5b, 5c; 105b; 205b), avente secondi parametri operativi (G2, N2, G3, N3) diversi dai primi parametri operativi (G1, N1); e una struttura di connessione elettrica selettiva (20a, 20b, 20c; 120, 121; 220) configurata per accoppiare la prima catena di lettura (5a; 105a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 105b; 205b) ai primi terminali (16-X; 116-X; 216).
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui la struttura di connessione elettrica selettiva (20a, 20b, 20c; 220) Ã ̈ configurata per accoppiare alternativamente la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) ai primi terminali (16-X; 116-X; 216).
3. 3. Sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la prima catena di lettura (5a; 205a) comprende una prima interfaccia di lettura (21a; 221a) avente un primo guadagno (G1), una prima banda e un primo rumore di ingresso (N1) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) comprende una seconda interfaccia di lettura (21b; 221b) avente un secondo guadagno (G2, G3), una seconda banda e un secondo rumore di ingresso (N2, N3)
4. 4. Sensore secondo la rivendicazione 3, in cui la struttura di connessione elettrica selettiva (20a, 20b, 20c; 220) Ã ̈ configurata per accoppiare alternativamente la prima interfaccia di lettura (21a; 221a) e la seconda interfaccia di lettura (21b; 221b) ai primi terminali (16-X; 116-X; 216).
5. 5. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, comprendente un’interfaccia di lettura (121) accoppiata alla la prima catena di lettura (105a) e alla seconda catena di lettura (105b).
6. 6. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) comprendono ciascuna un rispettivo demodulatore (22a, 22b, 22c), un rispettivo filtro passa-basso (23a, 23b, 23c) e un rispettivo modulo di elaborazione (26a, 26b, 26c).
7. 7. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una seconda massa di rilevamento (8-Y, 8-Z; 108-Y, 108-Z), elasticamente connessa alla struttura di supporto (6; 106), mobile rispetto alla struttura di supporto (6; 106) in accordo a un secondo grado di libertà, in risposta a movimenti della struttura di supporto (6; 106) in accordo a un secondo asse, e accoppiata alla struttura di supporto (6) attraverso un secondo accoppiamento capacitivo (15-Y, 15-Z; 115-Y, 115-Z;) variabile in funzione di una posizione relativa della seconda massa di rilevamento (8-Y, 8-Z; 108-Y, 108-Z) rispetto alla struttura di supporto (6; 106); in cui il secondo accoppiamento capacitivo (15-Y, 15-Z; 115-Y, 115-Z;) presenta secondi terminali (16-Y, 16-Z; 116-Y, 116-Z).
8. 8. Sensore secondo la rivendicazione 7, in cui il numero di catene di lettura (5a, 5b, 5c) Ã ̈ non superiore al numero di masse di rilevamento (8-X, 8-Y, 8-Z; 108-X, 108-Y, 108-Z).
9. 9. Sensore secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui la struttura di connessione elettrica selettiva (20a, 20b, 20c) Ã ̈ configurata per accoppiare alternativamente e a rotazione la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) ai primi terminali (16-X; 116-X; 216) e ai secondi terminali (16-Y, 16-Z; 116-Y, 116-Z).
10. 10. Sensore secondo la rivendicazione 9, in cui la struttura di connessione elettrica selettiva (20a, 20b, 20c) Ã ̈ configurata per impedire che la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) siano connesse simultaneamente ai primi terminali (16-X; 116-X; 216) o ai secondi terminali (16-Y, 16-Z; 116-Y, 116-Z).
11. 11. Sensore secondo la rivendicazione 10, in cui la struttura di connessione elettrica selettiva (20a, 20b, 20c) comprende uno stadio di selezione disposto fra i primi terminali (16-X; 116-X; 216) e i secondi terminali (16-Y, 16-Z; 116-Y, 116-Z) da un lato e la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) dall’altro.
12. 12. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) sono selettivamente attivabili e disattivabili.
13. 13. Sistema elettronico comprendente un’unità di controllo (310) e un sensore microelettromeccanico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti accoppiato all’unità di controllo (310).
14. 14. Metodo di controllo di un sensore microelettromeccanico, in cui il sensore microelettromeccanico comprende: una struttura di supporto (6; 106; 206); una prima massa di rilevamento (8-X; 108-X; 208), elasticamente connessa alla struttura di supporto (6; 106; 206), mobile rispetto alla struttura di supporto (6; 106; 206) in accordo a un primo grado di libertà, in risposta a movimenti della struttura di supporto (6; 106; 206) in accordo a un primo asse, e accoppiata alla struttura di supporto (6) attraverso un primo accoppiamento capacitivo (15-X; 115-X; 215) variabile in funzione di una posizione relativa della prima massa di rilevamento (8-X; 108-X; 208) rispetto alla struttura di supporto (6; 106; 206); il metodo comprendendo: rilevare, a primi terminali (16-X; 116-X; 216) del primo accoppiamento capacitivo (15-X; 115-X; 215), segnali di trasduzione (±DQX, ±DQY, ±DQZ) indicativi di spostamenti della prima massa di rilevamento (8-X; 108-X; 208) in accordo al primo grado di libertà; e convertire i segnali di trasduzione (±DQX, ±DQY, ±DQZ) in segnali di misura (VWX1, VWY1, VWZ1, VWX2, VWY2, VWZ2, VWX3, VWY3, VWZ3); il metodo essendo caratterizzato dal fatto che rilevare, a primi terminali (16-X; 116-X; 216) del primo accoppiamento capacitivo (15-X; 115-X; 215), segnali di trasduzione (±DQX, ±DQY, ±DQZ) comprende: accoppiare ai primi terminali (16-X; 116-X; 216) almeno una prima catena di lettura (5a; 105a; 205a), avente primi parametri operativi (G1, N1), e una seconda catena di lettura (5b, 5c; 105b; 205b), avente secondi parametri operativi (G2, N2, G3, N3) diversi dai primi parametri operativi (G1, N1).
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) sono alternativamente accoppiate ai primi terminali (16-X; 116-X; 216).
16. 16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sensore (1; 100) comprendente una seconda massa di rilevamento (8-Y, 8-Z; 108-Y, 108-Z), elasticamente connessa alla struttura di supporto (6; 106), mobile rispetto alla struttura di supporto (6; 106) in accordo a un secondo grado di libertà, in risposta a movimenti della struttura di supporto (6; 106) in accordo a un secondo asse, e accoppiata alla struttura di supporto (6) attraverso un secondo accoppiamento capacitivo (15-Y, 15-Z; 115-Y, 115-Z;) variabile in funzione di una posizione relativa della seconda massa di rilevamento (8-Y, 8-Z; 108-Y, 108-Z) rispetto alla struttura di supporto (6; 106); e in cui il secondo accoppiamento capacitivo (15-Y, 15-Z; 115-Y, 115-Z;) presenta secondi terminali (16-Y, 16-Z; 116-Y, 116-Z).
17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, in cui accoppiare comprende accoppiare alternativamente e a rotazione la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) ai primi terminali (16-X; 116-X; 216) e ai secondi terminali (16-Y, 16-Z; 116-Y, 116-Z).
18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 16 o 17, in cui la struttura di connessione elettrica selettiva (20a, 20b, 20c) Ã ̈ configurata per impedire che la prima catena di lettura (5a; 205a) e la seconda catena di lettura (5b, 5c; 205b) siano connesse simultaneamente ai primi terminali (16-X; 116-X; 216) o ai secondi terminali (16-Y, 16-Z; 116-Y, 116-Z).