ITTO20120290A1 - Sensore inerziale di tipo magnetico, e metodo per operare il sensore inerziale - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SENSORE INERZIALE DI TIPO MAGNETICO, E METODO PER OPERARE IL SENSORE INERZIALEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un sensore inerziale, ad esempio un accelerometro o un giroscopio, di tipo magnetico. La presente invenzione à ̈ altresì relativa ad un metodo per operare il sensore inerziale.

Sono noti nella tecnica sensori inerziali quali accelerometri e giroscopi per rilevare movimenti lineari o rotazionali, o accelerazioni, a cui sono sottoposti i sistemi che li utilizzano.

Sensori inerziali 1 di tipo noto (si veda ad esempio la figura 1) sono tipicamente fabbricati in tecnologia MEMS e comprendono un package 2 che ingloba la parte attiva del sensore inerziale 1, includente una massa sospesa 3a soggetta a sollecitazioni. Una massa fissa 3b, non soggetta a tali sollecitazioni, à ̈ disposta in una posizione predefinita rispetto alla massa sospesa 3a. Secondo forme di realizzazione di tipo noto, porzioni della massa sospesa 3a formano rispettivi condensatori C con rispettive porzioni della massa fissa 3b. Lo spostamento relativo della massa sospesa 3a dalla massa fissa 3b causa una corrispondente variazione della capacità dei summenzionati condensatori C. Tale variazione di capacità à ̈ correlata all’entità dello spostamento relativo tra massa sospesa 3a e massa fissa 3b ed à ̈ utilizzata per rilevare parametri relativi al movimento a cui à ̈ sottoposto il sistema che ingloba il sensore inerziale 1 (ad esempio, nel caso di accelerometro, l’accelerazione).

Risulta evidenti che altri sensori inerziali (es., giroscopi) possono operare secondo principi differenti da quanto qui sopra descritto.

In ogni caso, indipendentemente dalla particolare forma di realizzazione del sensore, i segnali elettrici generati in conseguenza del movimento relativo della massa sospesa 3a rispetto alla massa fissa 3b, sono forniti ad un circuito ASIC 6, o ad un generico microcontrollore, per essere elaborati. A tal fine, sono previsti collegamenti elettrici 7, generalmente formati ad esempio mediante fili (tecnica di “wire bonding†), che collegano piastrine (“pad†) 8a del sensore inerziale 1 con rispettive piastrine (“pad†) 8b del circuito ASIC 6. Tali collegamenti elettrici 7 sono causa di eccessiva occupazione di spazio, oltre ad essere soggetti a possibili rotture. Inoltre, i collegamenti elettrici 7 comprendono tipicamente oro o rame, e sono dunque costosi.

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un sensore inerziale alternativo a sensori inerziali di tipo noto, ed un metodo per operare il sensore inerziale. Il sensore inerziale secondo la presente invenzione non richiede collegamenti elettrici tra il sensore inerziale stesso (o il package che lo alloggia) e un circuito ASIC (o un generico circuito integrato) che riceve ed elabora i dati forniti dal sensore inerziale.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un sensore inerziale e un metodo per operare il sensore inerziale come definito nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ una vista schematica di un sensore inerziale di tipo noto;

- la figura 2 mostra una sezione trasversale di un sensore inerziale secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 3 Ã ̈ una vista superiore del sensore inerziale di figura 2;

- la figura 4 mostra una porzione di dettaglio del sensore inerziale di figura 2 quando immerso, durante l’uso, in un campo magnetico;

- la figura 5 mostra il sensore inerziale di figura 2 durante una fase operativa;

- la figura 6 mostra il sensore inerziale di figura 2 durante una ulteriore fase operativa;

- le figure 7-9 mostrano, in vista superiore, rispettive forme di realizzazione del sensore inerziale secondo la presente invenzione;

- la figura 10 mostra una sezione trasversale di un sensore inerziale secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 11 mostra un sistema portatile che comprende un sensore inerziale secondo una qualsiasi forma di realizzazione della presente invenzione; e

- le figure 12 e 13 mostrano, in vista superiore, rispettive ulteriori forme di realizzazione del sensore inerziale secondo la presente invenzione.

La figura 2 mostra un sensore inerziale 19 di tipo integrato, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

In dettaglio, una prima piastrina 20 ospita un circuito integrato 23, o circuito ASIC, e comprende un substrato 21 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio. Il substrato 21 ha una prima e una seconda faccia 21a, 21b opposte tra loro. Sulla prima faccia 21a del substrato 21 à ̈ formato (ad esempio mediante crescita epitassiale) uno strato strutturale 22, ad esempio anch’esso di materiale semiconduttore quale silicio. Al di sopra dello strato strutturale 22 esso sono presenti, secondo una forma di realizzazione, uno o più livelli di percorsi conduttivi collegati fra loro da vias conduttive e sigillati superiormente tramite uno strato di passivazione (non mostrati in figura). Il circuito integrato 23 à ̈ formato in forma integrata nel substrato 21 o, alternativamente, nello strato strutturale 22, o in entrambi. Lo strato strutturale 22 alloggia una bobina di eccitazione (“eccitation coil†) 24 e una pluralità di bobine di rilevamento (“sensing coils†) 25a, 25b. Nella forma di realizzazione di figura 2, bobine di eccitazione 24 e di rilevamento 25a, 25b sono avvolgimenti (“windings†) planari (ad esempio di forma circolare o quadrangolare) di materiale conduttivo, in particolare metallo. In vista superiore di figura 3, le bobine di eccitazione 24 e di rilevamento 25a, 25b sono mostrate comprendenti una pluralità di spire (“turns†) di forma quadrangolare. Le bobine di eccitazione 24 e di rilevamento 25a, 25b sono disposte affacciate ad una superficie superiore 22a dello strato strutturale 22. Alternativamente, esse possono estendersi, in modo non mostrato in figura, all’interno dello strato strutturale 22 a distanza dalla superficie superiore 22a, o alternativamente, al di sopra della superficie superiore 22a dello strato strutturale 22.

Le bobine di eccitazione 24 e di rilevamento 25a, 25b comprendono un numero N di spire (“turns†), con N scelto secondo necessità, ad esempio in base alle frequenze di lavoro. In particolare a basse frequenze si hanno bobine di grandi dimensioni (con elevato numero di spire e, ad esempio, un diametro delle bobine dell’ordine di un millimetro, o alcuni millimetri); ad alte frequenze le dimensioni delle bobine vengono ridotte (anche lo spazio occupato dalle bobine all’interno sensore inerziale 19 à ̈ ridotto di conseguenza, con bobine aventi, ad esempio, un diametro dell’ordine di un centinaio di, o alcune centinaia di, micrometri).

Ciascuna delle bobine di eccitazione 24 e di rilevamento 25a, 25b comprende inoltre rispettivi terminali di conduzione (ciascuna bobina comprende due terminali di conduzione: terminali 25a’, 25a†per la bobina di rilevamento 25a; terminali 25b’, 25b†per la bobina di rilevamento 25b; terminali 24’, 24†per la bobina di eccitazione 24).

Tra i terminali di conduzione della bobina di eccitazione 24 à ̈ collegato un generatore di segnale 27, atto a far scorrere, in uso, una corrente I attraverso la bobina di eccitazione 24 generando una tensione tra i terminali di conduzione 24’, 24†di quest’ultima. In particolare, il generatore di segnale 27 à ̈ configurato per generare un segnale ad esempio in corrente alternata (AC), come una sinusoide o in alternativa un’onda quadra, avente una determinata frequenza. La frequenza può variare da uno o alcuni Hz fino a diversi GHz, ad esempio può essere compresa fra 1 Hz e 300 GHz (estremi inclusi), preferibilmente da 1 KHz a 10 GHz.

Tra i terminali di conduzione delle bobine di rilevamento 25a, 25b sono collegati rispettivi sensori di segnale elettrico 29a, 29b, configurati per rilevare una rispettiva corrente che fluisce, in uso, tra i rispettivi terminali di conduzione delle bobine di rilevamento 25a, 25b (o, analogamente, configurati per rilevare la tensione che si instaura tra i rispettivi terminali di conduzione delle bobine di rilevamento 25a, 25b). Tali sensori sono, ad esempio, amperometri o voltmetri, o altri sensori o misuratori atti allo scopo.

In figura 2 il collegamento tra le bobine di rilevamento 25a, 25b ed i rispettivi sensori di segnale elettrico 29a, 29b à ̈ mostrato schematicamente mediante una freccia tratteggiata; analogamente, anche il collegamento tra la bobina di eccitazione 24 e il generatore di segnale 27 à ̈ mostrato schematicamente mediante una freccia tratteggiata.

Il generatore di segnale 27 e i sensori di segnale elettrico 29a, 29b sono, secondo una forma di realizzazione, parte del circuito integrato 23 (garantendo elevata integrazione). Alternativamente, essi possono essere formati esternamente al circuito integrato 23 e collegati ad esso mediante opportuni collegamenti elettrici.

Con riferimento alla figura 2, un dispositivo MEMS 31, provvisto di una struttura di incapsulamento 32, à ̈ disposto al di sopra della superficie superiore 22a dello strato strutturale 22, e in contatto diretto con lo strato strutturale 22. Alternativamente, il dispositivo MEMS 31 può essere disposto affacciato alla superficie superiore 22a dello strato strutturale 22 ma separato da quest’ultimo mediante uno o più strati di accoppiamento, ad esempio uno strato di materiale adesivo. In questo modo, la struttura di incapsulamento 32 del dispositivo MEMS 31 à ̈ mantenuta solidale alla prima piastrina 20.

La struttura di incapsulamento 32 definisce una cavità 34 interna, atta ad alloggiare il dispositivo MEMS 31. In particolare, il dispositivo MEMS 31 comprende una massa sospesa 36, ad esempio di materiale semiconduttore, quale silicio, che à ̈ sospesa all’interno della cavità 34 per mezzo di una struttura di supporto 38 (non visibile in figura 2; mostrata in vista superiore in figura 3). Secondo rispettive forme di realizzazione, la massa sospesa 36 à ̈ mobile in una, e/o due, e/o tre direzioni (secondo gli assi X, Y, Z).

La struttura di supporto 38 à ̈, ad esempio, di materiale semiconduttore, ad esempio silicio. In generale, la struttura di supporto 38 (ed eventualmente anche la massa sospesa 36) può essere di materiale diverso da semiconduttore, scelto sulla base delle caratteristiche di flessibilità e robustezza desiderate.

La struttura di supporto 38 à ̈ meglio visibile in figura 3, che mostra una vista superiore del sensore inerziale 19 di figura 2 (per maggior chiarezza, la struttura di incapsulamento 32 à ̈ mostrata priva della parete superiore). Con riferimento alla figura 3, la struttura di supporto 38 presenta quattro bracci 38a-38d. Ciascun braccio 38a-38d ha una prima estremità 40 accoppiata ad una rispettiva parete 32’, 32†, interne alla cavità 34, della struttura di incapsulamento 32, ed una seconda estremità 41 accoppiata ad una regione periferica della massa sospesa 36. In questa forma di realizzazione la massa sospesa 36 ha forma, in vista superiore, di un quadrilatero, in particolare un quadrato (tuttavia, qualsiasi altra forma à ̈ possibile). Le rispettive prime estremità 40 del braccio 38a e del braccio 38b sono accoppiate ad una stessa parete 32’ della struttura di incapsulamento 32; analogamente, le rispettive prime estremità 40 del braccio 38c e del braccio 38d sono accoppiate ad una stessa parete 32†della struttura di incapsulamento 32 diametralmente opposta alla parete 32’ a cui sono accoppiate le prime estremità dei bracci 38a e 38b. Le rispettive seconde estremità 41 del braccio 38a e del braccio 38d sono accoppiate ad uno stesso lato della massa sospesa 36; mentre le rispettive seconde estremità 41 del braccio 38b e del braccio 38c sono accoppiate ad un altro stesso lato della massa sospesa 36, diametralmente opposto al lato a cui sono accoppiate le seconde estremità dei bracci 38a e 38d.

Ciascun braccio 38a-38d si sviluppa, tra la rispettiva prima e seconda estremità 40, 41, lungo un percorso che presenta rispettive porzioni di braccio 42 e 43 aventi direzioni di estensione preferite ortogonali tra loro. Con riferimento agli assi mostrati in figura 3, la porzione di braccio 42 ha una direzione di estensione preferita lungo l’asse Y, mentre la porzione di braccio 43 ha una direzione di estensione preferita lungo l’asse X.

Quando sottoposta a forze o sollecitazioni esterne agenti lungo l’asse X (ad esempio la forza di gravità), la massa sospesa 36 à ̈ portata in movimento lungo l’asse X dalla struttura di supporto 38. In particolare, le porzioni di braccio 42 dei rispettivi bracci 38a-38d si deformano (in particolare si incurvano) in modo tale da consentire uno spostamento (“displacement†) della massa sospesa 36 lungo l’asse X. Analogamente, quando la massa sospesa 36 à ̈ sottoposta a forze o sollecitazioni esterne agenti lungo l’asse Y, le porzioni di braccio 43 dei rispettivi bracci 38a-38d si deformano (in particolare si incurvano) in modo tale da consentire uno spostamento della massa sospesa 36 lungo l’asse Y. Risulta evidente che per sollecitazioni aventi componenti di forma sia lungo l’asse X che lungo l’asse Y, entrambe le porzioni di braccio 42, 43 si deformano di conseguenza per portare la massa sospesa 36 in movimento sotto l’azione della forza applicata.

I bracci 38a-38d consentono altresì un movimento della massa sospesa 36 lungo la direzione dell’asse Z. In questo caso entrambe le porzioni di braccio 42, 43 si deformano (si incurvano) lungo la direzione dell’asse Z così da movimentare la massa sospesa 36 lungo Z.

I bracci 38a-38d e la massa sospesa 36 possono essere fabbricati in una stessa fase di attacco (“etching†). In questo caso la massa sospesa 36 e i bracci 38a-38d sono dello stesso materiale e non sono presenti discontinuità tra la massa sospesa e i bracci 38a-38d.

La massa sospesa 36 porta (“carries†) o alloggia (“houses†) uno strato concentratore 39, atto a operare come concentratore di campo magnetico. Lo strato concentratore 39 à ̈ di materiale magnetico, come ad esempio materiali magnetici "morbidi" (“soft-magnetic†) come CoZrTa (amorfo), CoZrO, FeHfN(O), NiFe (permalloy), che possono essere depositati mediante tecniche note come ad esempio “sputtering†. Nel caso in cui lo strato concentratore 39 à ̈ di un materiale magnetico "morbido", può essere conveniente migliorare le sue caratteristiche tramite opportuni processi, ad esempio tramite processi termici di magnetizzazione ("magnetic annealing") o tramite processi di deposizione con campo magnetico esterno. Lo strato concentratore 39 ha spessore che dipende dal tipo di materiale usato e dalle sue caratteristiche, e tale spessore può essere compreso ad esempio tra 0.01Î1⁄4m e 100Î1⁄4m, ad esempio 1Î1⁄4m.

Lo strato concentratore 39 si estende, secondo la forma di realizzazione di figura 2, su un lato della massa sospesa 36, in particolare tra la massa sospesa 36 e la superficie superiore 22a dello strato strutturale 22, in contatto diretto con la massa sospesa 36 ed a distanza dallo strato strutturale 22. In questo modo, lo strato concentratore 39 segue la massa sospesa 36 nel movimento di quest’ultima. Secondo una forma di realizzazione, lo strato concentratore 39 si estende superficialmente sulla massa sospesa 36 per l’intera estensione di quest’ultima. Lo strato concentratore 39 può estendersi su un solo lato della massa sospesa 36 o su entrambi i lati, opposti tra loro, della massa sospesa 36. Lo strato concentratore 39 può, in alternativa, estendersi internamente alla massa sospesa 36. Lo strato concentratore 39 se ha anche caratteristiche conduttive oltre che magnetiche, come nel caso dei materiali magnetici "morbidi", può avere un opportuno pattern tale da minimizzare l’insorgere di "eddy current", così da aumentare il trasferimento di energia dalla bobina di eccitazione 24 alle bobine di rilevamento 25a, 25b. Inoltre, secondo ulteriori forme di realizzazione, si possono anche creare vari strati di materiali magnetici eventualmente alternati con strati di materiali isolanti, come ad esempio un ossido (es., ossido di silicio).

Risulta evidente che la forma di realizzazione della massa sospesa 36 mostrata e descritta deve essere intesa come una forma di realizzazione non limitativa della presente invenzione. Altre forme di realizzazione della massa sospesa 36 e dei bracci 38a-38d possono essere previste, secondo necessità. Inoltre, la massa sospesa 36 può avere forma qualsiasi.

Per la comprensione del funzionamento del sensore inerziale 19 si faccia inizialmente riferimento alla figura 4, relativa ad una porzione della massa sospesa 36 provvista dello (“provided with†) strato concentratore 39. Nell'esempio mostrato, un campo magnetico esterno Bext, avente componenti parallele al piano XY, interagisce con lo strato concentratore 39. Lo strato concentratore 39 produce un campo concentrato Bc, grazie alla focalizzazione delle linee di flusso. All'estremità dello strato concentratore 39, le linee di campo magnetico vengono parzialmente piegate così che si ha una componente di campo lungo l'asse Z. In realtà, quando il flusso magnetico esce da un'estremità (qui l'estremità destra) dello strato concentratore 39, esso viene distribuito su una superficie maggiore rispetto all'interno dello strato concentratore 39.

La figura 5 mostra il sensore inerziale di figura 2, in cui sono inoltre raffigurate linee di flusso di un campo magnetico generato dalla bobina di eccitazione 24. In particolare, la figura 5 mostra l'andamento del campo indotto da una corrente di eccitazione fluente nella bobina di eccitazione 24 ed in grado di interagire con lo strato concentratore 39 ad un’opportuna frequenza.

Come noto, infatti, un avvolgimento (es., la bobina di eccitazione 24) percorso da corrente (“carrying a current†) produce un campo magnetico B(r), dove r à ̈ la distanza tra centro dell’avvolgimento e il punto del campo considerato. L’intensità del campo magnetico B à ̈ proporzionale alla corrente I che scorre nella bobina di eccitazione 24. L’intensità e la direzione del campo dipende da r. Nel caso considerato, il campo magnetico B di interesse à ̈ prossimo alla bobina di eccitazione 24 e quindi si à ̈ sostanzialmente in condizione di campo vicino (“near field condition†).

Supponendo per semplicità che, in una condizione di riposo, lo strato concentratore 39 possegga un baricentro O verticalmente allineato (lungo l’asse Z) con il centro della bobina di eccitazione 24, in assenza di campo magnetico esterno lo strato concentratore 39 viene magnetizzato in due direzioni opposte rispetto ad un piano P parallelo a YZ e che passa per il baricentro O. Questo fatto à ̈ mostrato in figura mediante frecce 49 aventi direzione opposta (in vista in sezione) nella metà di sinistra e nella metà di destra rispetto al piano P. Come si nota, le linee di flusso sono concentrate all'interno dello strato concentratore 39, ma si disperdono su un'ampia area quando escono dalle estremità laterali di quest’ultimo. In assenza di un campo magnetico esterno, e supponendo una perfetta simmetria delle bobine di rilevamento 25a e 25b rispetto alla bobina di eccitazione 24, le due bobine di rilevamento 25a e 25b sono soggette ad un campo magnetico Ba e Bb sostanzialmente simmetrico ed avente stessa intensità. Se la corrente I che alimenta la bobina di eccitazione 24 à ̈ una corrente alternata, ad esempio sinusoidale (in generale una corrente variabile nel tempo), allora anche il campo magnetico (Ba, Bb) generato dalla bobina di eccitazione 24 à ̈ un campo sinusoidale (o, in termini più generali, variabile nel tempo). Tale campo magnetico segue cioà ̈ l’andamento della corrente I. I campi magnetici Ba e Bb inducono una rispettiva tensione (corrente) variabile nel tempo nelle bobine di rilevamento 25a e 25b. Secondo quanto detto, nella condizione di riposo di figura 5, le bobine di rilevamento 25a e 25b sperimentano rispettive tensioni indotte di valore uguale tra loro. Una corrispondente corrente scorre nelle bobine di rilevamento 25a e 25b, e può essere rilevata mediante strumenti o circuiti di rilevamento di tipo noto (e che non sono oggetto della presente invenzione).

Lungo l’asse parallelo a Z e passante per il centro (o baricentro) della bobina di eccitazione 24, l’intensità del campo magnetico generato dalla bobina di eccitazione 24 può essere espressa dalla formula (1), dove per semplicità si à ̈ considerato il centro della bobina di eccitazione 24 come origine degli assi X, Y, Z, ed una forma della bobina di eccitazione 24 circolare (tuttavia quanto detto si applica per analogia a bobine di forma differente, in particolare quadrata):

ï 2

B ï€1⁄2 0Na I

23/ 2

2ï€ ̈a2 z

(1)

dove “B†à ̈ un valore di campo magnetico misurato in Tesla, e µ0=4Ï€·10-7 à ̈ la permeabilità magnetica del vuoto, “N†à ̈ il numero di spire (“turns†) della bobina di eccitazione 24, I à ̈ il valore di picco (in Ampere) della corrente che scorre nella bobina di eccitazione 24, “a†à ̈ il raggio (in metri) della bobina di eccitazione 24, e “z†à ̈ la distanza assiale (in metri) dal centro della bobina di eccitazione 24 (corrispondente, come detto, per semplicità, all’origine degli assi).

Dunque, una corrente variabile sinusoidalmente nel tempo nella bobina di eccitazione 24 produce un campo magnetico che varia sinusoidalmente nel tempo. Lo strato concentratore 39 interagisce con tale campo magnetico e alimenta (“supply†) un corrispondente campo magnetico Ba, Bballe bobine di rilevamento 25a e 25b (si veda il percorso delle linee di campo di figura 5). La porzione di campo magnetico Ba, Bbche passa attraverso le bobine di rilevamento 25a e 25b produce, tra terminali di conduzione della bobina di rilevamento 25a e della bobina di rilevamento 25b, una rispettiva tensione che varia sinusoidalmente nel tempo. Ad esempio, una tensione Vaà ̈ generata tra terminali di conduzione della bobina di rilevamento 25a, e una tensione Vbà ̈ generata tra terminali di conduzione della bobina di rilevamento 25b.

Nel caso in cui la massa sospesa 36 (e quindi lo strato concentratore 39) sia in una posizione di riposo, cioà ̈ equispaziata, lungo gli assi X, Y, Z, dalle bobine di rilevamento 25a e 25b, allora Va=Vb. Viceversa, se la massa sospesa 36 (e quindi lo strato concentratore 39) si trova in una posizione non equispaziata, in particolare lungo l’asse X nell’esempio mostrato, dalle bobine di rilevamento 25a e 25b, allora Va≠Vb. Per movimenti della massa sospesa 36 lungo l’asse X considerato, si ha dunque una variazione del campo magnetico percepito dalle bobine di rilevamento 25a e 25b di modo differenziale.

Le tensioni Va, Vbgenerate tra i terminali delle bobine di rilevamento 25a, 25b sono dovute, come noto, al fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Si assume che il campo magnetico fornito dallo strato concentratore 39 alle bobine di rilevamento 25a, 25b sia tale per cui queste ultime sono completamente immerse, ad un certo istante di tempo, in un campo uniforme (le bobine di rilevamento 25a, 25b hanno dimensione piccola rispetto al campo considerato). In questa situazione, il flusso Φa, Φbdel vettore di campo magnetico Ba, Bb(relativi ai campi magnetici Bae Bb, rispettivamente) attraverso la rispettiva bobina di rilevamento 25a, 25b à ̈ definito come il prodotto dell’area Aa, Abdella rispettiva bobina di rilevamento 25a, 25b moltiplicato per la componente di Ba, Bbnormale al piano di giacenza (qui XY) della rispettiva bobina di rilevamento 25a, 25b. Il flusso attraverso la bobina di rilevamento 25a à ̈ dunque Φa=Aa·Ba·cosαa; il flusso attraverso la bobina di rilevamento 25b à ̈ Φb=Ab·Bb·cosαb. L’angolo αa(αb) à ̈ l’angolo tra il vettore Ba(Bb) e la normale al piano di giacenza della rispettiva bobina di rilevamento 25a (25b). Nel caso considerato si può supporre, approssimativamente, αa=αb≈0 o Ï€, e quindi cosαa,b≈1.

Dalla legge dell’induzione di Faraday si ha che la tensione indotta in una spira della bobina di rilevamento 25a à ̈ la derivata del flusso Φarispetto al tempo (cambiata di segno); e la tensione indotta in una spira della bobina di rilevamento 25b à ̈ la derivata del flusso Φbrispetto al tempo (cambiata di segno). Se le bobine di rilevamento 25a, 25b hanno lo stesso numero N di spire, si ha che la tensione indotta nella bobine di rilevamento 25a à ̈:

dï † dB

V ï€1⁄2ï€ N aï€1⁄2ï€ NAa cosï ¡ a

a a (2) dt dt

e la tensione indotta nella bobine di rilevamento 25b à ̈:

dï † b dB

V bï€1⁄2ï€ N ï€1⁄2ï€ NA b

bcosï ¡ b (3) dt dt

Le equazioni (2) e (3) utilizzano unità del Sistema Internazionale. La tensione à ̈ espressa in Volt, il flusso in Weber, il campo magnetico in Tesla, l’area in metri quadri, il tempo in secondi.

Secondo una forma di realizzazione, la corrente I attraverso la bobina di eccitazione 24 varia sinusoidalmente col tempo ad una certa frequenza, di conseguenza anche il campo magnetico B da essa generato varia sinusoidalmente col tempo alla stessa frequenza. Il modulo (“magnitude†) B del vettore campo magnetico B generato dalla bobina di eccitazione 24 può essere scritto come:

B=1/2·Bpp·cos(ωt) (4)

dove Bppà ̈ il valore picco-picco del campo magnetico, e ω à ̈ la frequenza angolare della corrente I che scorre nella bobina di eccitazione 24. Il valore picco-picco Bpp=Bpp(r) del campo magnetico varia nello spazio (cioà ̈ dipende dalla posizione spaziale r considerata), ma non nel tempo.

L’equazione (4) si può applicare anche ai campi forniti alle bobine di rilevamento 25a, 25b mediante lo strato concentratore 39, così che si ha, per la bobina di rilevamento 25a:

Ba=1/2·Bpp,a·cos(ωt) (5)

e, per la bobina di rilevamento 25b:

Bb=1/2·Bpp,b·cos(ωt) (6).

ove Bpp,ae Bpp,bsono i valori picco-picco del campo

magnetico in corrispondenza (“at†) della bobina di

rilevamento 25a e della bobina di rilevamento 25b. Poiché,

come detto, il valore picco-picco del campo magnetico varia

con la posizione spaziale r considerata, se la massa

sospesa non à ̈ simmetrica rispetto alle bobine di

rilevamento 25a, 25b, queste ultime sono immerse in un

rispettivo campo magnetico avente valore picco-picco Bpp,ae

Bpp,bdiversi tra loro.

Combinando le equazioni (2) e (5) si ottiene:

1

Vaï€1⁄2 ï ·NAaBpp ,a cosï ¡ a sinï · t (7)

2

Combinando le equazioni (3) e (6) si ottiene:

1

Vbï€1⁄2 ï ·NAbBpp ,bcosï ¡ b sinï · t (8).

2

Il valore di tensione picco-picco Vpp,ae Vpp,b(αa=αb=0

o αa=αb=Ï€) nelle bobine di rilevamento 25a, 25b à ̈ dato

dalle equazioni (9) e, rispettivamente, (10):

Vpp,a=ω·N·Aa·Bpp,a(9)

Vpp,b=ω·N·Ab·Bpp,b(10).

È quindi possibile identificare, sulla base del valore

assunto dalla tensione (in particolare il valore picco-

picco della tensione) presente ai terminali di conduzione

delle bobine di rilevamento 25a, 25b, la direzione ed il

verso di spostamento della massa sospesa 36, in particolare secondo l’esempio considerato, lungo l’asse X. Ad esempio, un aumento del valore di Vpp,arispetto ad un valore di soglia Vth,ae, contemporaneamente, una riduzione del valore di Vpp,b, può essere interpretato come uno spostamento della massa sospesa 36 lungo l’asse X in avvicinamento verso la bobina di rilevamento 25a. Analogamente, un aumento del valore di Vpp,brispetto ad un valore di soglia Vth,be, contemporaneamente, una riduzione del valore di Vpp,a, può essere interpretato come uno spostamento della massa sospesa 36 lungo l’asse X in avvicinamento verso la bobina di rilevamento 25b. I valori di soglia Vth,ae Vth,bsono, ad esempio, pari al valore picco-picco di tensione che si instaura tra i terminali della rispettiva bobina di rilevamento 25a, 25b nella condizione di riposo mostrata in figura 5 (massa sospesa 36 equidistante dalle bobine di rilevamento 25a, 25b). Conoscendo il valore massimo ed il valore minimo che Vpp,ae Vpp,bpossono assumere à ̈ altresì possibile identificare precisamente in quale posizione la massa sospesa 36 si trova lungo l’asse X (mediante una semplice proporzione).

Si veda ad esempio la figura 6 che mostra uno spostamento della massa sospesa 36 verso destra lungo l’asse X (in direzione della bobina di rilevamento 25b), e in cui i vettori di campo mostrano visivamente che il campo magnetico Bbinveste la bobina di rilevamento 25b in modo maggiore rispetto a quanto il campo magnetico Bainveste la bobina di rilevamento 25a (in questo caso, Bpp,battraverso la bobina di rilevamento 25b à ̈ maggiore di Bpp,aattraverso la bobina di rilevamento 25a e, conseguentemente, Vpp,b>Vpp,a).

Nel caso esemplificativo di figura 5 e figura 6 si sono considerate due sole bobine di rilevamento 25a, 25b, disposte lungo l’asse X diametralmente rispetto al centro della bobina di eccitazione 24. È evidente che quanto detto à ̈ valido anche con riferimento all’asse Y, posto che (“provided that†) ulteriori due bobine di rilevamento 25c, 25d sono disposte lungo l’asse Y, simmetriche rispetto al centro della bobina di eccitazione 24 (si veda la forma di realizzazione mostrata in figura 7). In questo caso, devono essere previsti ulteriori sensori di segnale elettrico (non mostrati) accoppiati ai terminali di conduzione bobine di rilevamento 25c, 25d, per rilevare la tensione/corrente indotta nelle bobine di rilevamento 25c, 25d analogamente a quanto descritto precedentemente con riferimento alle bobine di rilevamento 25a, 25b.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione, mostrata in figura 8, bobine di rilevamento 25e-25h sono disposte lungo diagonali d1e d2estendentisi con un angolo rispettivamente pari a circa ±45° rispetto all’estensione dell’asse Y. Anche in questo caso, le bobine di rilevamento 25e-25h sono equispaziate rispetto alla bobina di eccitazione 24.

La figura 9 mostra una ulteriore forma di realizzazione in cui sono presenti sia le bobine di rilevamento 25a-25d di figura 7 che le bobine di rilevamento 25e-25h di figura 8.

Indipendentemente dalla configurazione delle bobine di rilevamento, secondo le varianti mostrate nelle figure 3 e 7-9, il sensore inerziale 19 à ̈ configurato per operare come sensore di accelerazione (accelerometro). Ciò à ̈ possibile sfruttando l’effetto Doppler, che si applica all’onda magnetica emessa dallo strato concentratore 39 quando quest’ultimo à ̈ portato in movimento dalla massa sospesa 36, in avvicinamento verso una bobina di rilevamento ed in allontanamento da un’altra bobina di rilevamento.

Come noto, l’effetto Doppler à ̈ relativo alla frequenza apparente di un’onda (sonora, elettromagnetica, ecc.) percepita da un osservatore in modo relativo rispetto alla sorgente che emette l’onda. La frequenza percepita dipende dunque dalla velocità relativa tra l’osservatore e la sorgente. Quando osservatore e sorgente sono in avvicinamento reciproco, la frequenza dell’onda emessa dalla sorgente à ̈ percepita, dall’osservatore, come maggiore della frequenza effettiva; viceversa, quando osservatore e sorgente sono in allontanamento tra loro, la frequenza dell’onda emessa dalla sorgente à ̈ percepita, dall’osservatore, come minore della frequenza effettiva. Nel caso in esame, la “sorgente†dell’onda magnetica à ̈ lo strato concentratore 39 (secondo quanto precedentemente descritto, ad esempio con riferimento alla figura 4), e gli “osservatori†sono le bobine di rilevamento. Per semplicità, si considerano nel seguito le sole bobine di rilevamento 25a, 25b (come da figura 3), e si suppone che la massa sospesa 36 si muova lungo X.

Si considera inoltre che il sensore inerziale 19, in condizione di riposo, Ã ̈ configurato in modo tale per cui: i) il generatore di segnale 27 alimenta alla bobina di eccitazione 24 un segnale di corrente I sinusoidale con frequenza f; ii) il campo magnetico generato dalla bobina di eccitazione 24 varia nel tempo alla stessa frequenza f del segnale di corrente I; iii) i campi magnetici Bae Bbforniti dallo strato concentratore 39 alle bobine di rilevamento 25a, 25b variano nel tempo con la frequenza f; e iv) i segnali elettrici (tensione/corrente) indotti nelle bobine di rilevamento 25a, 25b dai campi magnetici Bae Bbsono segnali sinusoidali con frequenza f.

Secondo una forma di realizzazione, la frequenza f del segnale sinusoidale fornito dal generatore di segnale 27 ha valore compreso tra 1 kHz e 10 GHz, ad esempio pari a 1 GHz. Il valore di frequenza usato può essere inoltre scelto anche in base al tipo di materiale magnetico usato per realizzare lo strato concentratore 39.

Si suppone ora che la massa sospesa 36 à ̈ in movimento lungo X, in particolare in avvicinamento alla bobina di rilevamento 25b ed in allontanamento dalla bobina di rilevamento 25a. Per effetto Doppler, si ha che la frequenza di oscillazione nel tempo del campo magnetico Bb“percepita†dalla bobina di rilevamento 25b (frequenza fR_b) à ̈ maggiore della frequenza di oscillazione nel tempo del campo magnetico Ba“percepita†dalla bobina di rilevamento 25a (frequenza fR_a). Più in particolare, si ha che fR_a<f<fR_b. Di conseguenza, anche la frequenza del segnale di tensione/corrente indotto nella bobina di rilevamento 25b oscilla sinusoidalmente con una frequenza pari a fR_b, maggiore della frequenza del segnale di tensione/corrente indotto nella bobina di rilevamento 25a (quest’ultimo pari a fR_a).

Il contributo principale all’effetto Doppler, in prima approssimazione, à ̈ dovuto principalmente alla propagazione dell’onda elettromagnetica nello strato concentratore 39. In particolare l’onda elettromagnetica rallenta in accordo con le caratteristiche del materiale magnetico. In tal senso, l’onda elettromagnetica rallenta in modo più consistente quanto maggiore à ̈ la permeabilità magnetica relativa alla frequenza di interesse, e di conseguenza si riduce la sua lunghezza d’onda.

Ad esempio, in prima approssimazione, alla frequenza di 1 GHz con una permeabilità magnetica relativa µR=1000, si ha una lunghezza d’onda λ di circa 1 cm nel materiale magnetico. In una forma di realizzazione, il sistema lavora a parametri distribuiti solo nel materiale magnetico dello strato concentratore 39, e a parametri concentrati nelle porzioni di accoppiamento magnetico tra la bobina di eccitazione 24 e lo strato concentratore 39, e tra lo strato concentratore 39 e le bobine di rilevamento 25a, 25b; in particolare à ̈ opportuno che in una data porzione dello strato concentratore 39 sia compresa almeno una frazione non trascurabile della lunghezza d’onda, ad esempio λ/2 (si possono così rilevare fenomeni di variazione della frequenza dovuti all’effetto Doppler).

In prima approssimazione, si ha che:

fR_a=f·(1-VSM/vEW) (11)

e

fR_b=f·(1+VSM/vEW) (12),

dove “VSM†à ̈ la velocità con cui la massa sospesa 36

1 c

v EW ï€1⁄2 ï€1⁄2 (13 )

ï oï Rï ¥oï ¥R ï Rï ¥ R

si muove (componente della velocità lungo X nell’esempio considerato) e “vEW†à ̈ la velocità dell’onda elettromagnetica nello strato concentratore 39, che, alla frequenza di interesse, à ̈ data da:

I valori di lunghezza d’onda apparenti, rilevati dalle bobine di rilevamento 25a, 25b, sono dati dalle formule (14) e (15) seguenti (λae λbsono le lunghezze d’onda associate alle frequenze fR_ae fR_b, rispettivamente):

fR_a=vEW/λa(14)

e

fR_b=vEW/λb(15).

Le approssimazioni delle formule (14) e (15) sono valide per velocità di movimento della massa sospesa 36 piccole rispetto alla velocità della luce.

Si ha quindi che (λ à ̈ la lunghezza d’onda associata alla frequenza f nel materiale magnetico):

vEW/λa=(vEW/λ)·(1-VSM/vEW) (16)

e

vEW/λb=(vEW/λ)·(1+VSM/vEW) (17).

Da cui consegue che:

1/λa=(1/λ)(1-VSM/vEW) (18)

e

1/λb=(1/λ)(1+VSM/vEW) (19).

Infine, si ha che:

λa≈λ(1+VSM/vEW) (20)

e

λb≈λ(1-VSM/vEW) (21)

Poiché i valori di λ, λa, e λbsono conosciuti o comunque facilmente ricavabili durante l’uso del sensore inerziale 19, à ̈ possibile ottenere il valore di velocità VSMa cui si muove la massa sospesa 36, cioà ̈ VSM≈vEW(λa/λ-1) o, equivalentemente, VSM≈-vEW(λb/λ-1).

Eseguendo una operazione di derivata temporale del valore di velocità VSMcosì ricavato si ottiene il valore di accelerazione a cui la massa sospesa 36 à ̈ sottoposta durante l’uso.

Congiuntamente all’effetto Doppler, o in alternativa ad esso, anche per basse frequenze, come precedentemente accennato, si ha che la massa sospesa 36 muovendosi modula in ampiezza i segnali delle bobine di rilevamento 25a, 25b; secondo una forma di realizzazione, si possono usare circuiti di elaborazione numerica dei segnali tali per cui si può ricavare agevolmente la direzione di movimento della massa sospesa 36, ed anche la sua velocità ed accelerazione, dopo aver campionato i valori di ampiezza di almeno un parametro elettrico (ad esempio tensione o corrente) delle bobine di rilevamento 25a, 25b. Tali circuiti di elaborazione possono essere presenti nel circuito ASIC 23 o essere anche esterni ad esso.

Poiché, secondo quanto descritto, il sensore inerziale 19 à ̈ atto a rilevare sia la direzione di spostamento (“displacement†) della massa sospesa 36 che l’accelerazione di quest’ultima, il sensore inerziale 19 opera come un accelerometro.

Il sensore inerziale 19 à ̈ altresì atto a rilevare spostamenti (“displacement†) della massa sospesa 36 lungo la direzione Z. In questo caso, tale rilevazione à ̈ effettuata rilevando un aumento di modo comune del campo magnetico (e di conseguenza del segnale di tensione/corrente indotto) su tutte le bobine di rilevamento presenti. Infatti, nel movimento lungo l’asse Z della massa sospesa 36, si osserva un aumento/diminuzione dell’ampiezza di tutti i segnali rilevati dalle bobine di rilevamento 25a, 25b nel caso in cui la massa sospesa 36 si avvicina/allontana dalle bobine di rilevamento 25a, 25b.

Secondo tutte le forme di realizzazione mostrate e descritte, non à ̈ presente una connessione elettrica “wired†fra dispositivo MEMS e ASIC; questi ultimi sono, infatti, accoppiati tra loro magneticamente e/o elettromagneticamente. I vantaggi di questa configurazione sono evidenti, e in particolare non à ̈ necessario realizzare collegamenti mediante fili di bonding che sono costosi e delicati. Si risparmia inoltre spazio.

La figura 10 mostra un sensore inerziale 99 secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione. Secondo la figura 10, la struttura di incapsulamento 32 che alloggia il dispositivo MEMS 31 à ̈ disposta tra la piastrina 20 che porta il circuito ASIC 23 ed un substrato organico 100. La piastrina 20 ha la funzione di cappuccio (“cap†) per la struttura di incapsulamento 32. Il substrato organico 100 presenta una pluralità di vie passanti 102, atte a formare un collegamento elettrico tra facce opposte 100a, 100b del substrato organico 100. Sia la piastrina 20 che il substrato organico 100 presentano piazzole di contatto 104 estendentisi su rispettive facce 22a e 100a della piastrina 20 e del substrato organico 100 affacciate tra loro. Piazzole di contatto 104 della piastrina 20 allineate, lungo l’asse Z, a rispettive piazzole di contatto 104 del substrato organico 100 sono tra loro collegate elettricamente mediante sfere di saldatura (“solder bumps†) 106. Inoltre, per garantire isolamento elettrico e maggior tenuta, tali sfere di saldatura 106 sono annegate in uno strato di resina non conduttiva 110.

La struttura di incapsulamento 32, con il dispositivo MEMS 31, e la piastrina 20 (circuito ASIC) sono tra loro accoppiati magneticamente e operano come precedentemente descritto con riferimento alle figure 2-9.

La faccia 100b del substrato organico 100 presenta piste conduttive 112, elettricamente collegate alle vie passanti 102. In questo modo, il circuito ASIC 23 à ̈ elettricamente collegato alle piste conduttive 112, e tramite queste ultime può ricevere ed inviare segnali elettrici da/verso un generico sistema esterno. L’accoppiamento tra la piastrina 20 portante l’ASIC 23, il dispositivo MEMS 31 e il substrato organico 100 à ̈ preferibilmente effettuato mediante tecnica “flip-chip†.

I vantaggi della forma di realizzazione di figura 10 risiedono in un sensore inerziale 99 avente dimensioni considerevolmente ridotte (in vista superiore l’area occupata à ̈ equivalente a quella che sarebbe occupata dal solo ASIC. Inoltre il sensore inerziale 99 non necessita di un ulteriore package esterno, in quanto le parti attive del sensore sono protette dall’ASIC stesso superiormente, dal substrato organico inferiormente e dalle regioni di resina lateralmente.

La figura 11 mostra, in forma schematica, un sistema elettronico portatile 200, ad esempio un laptop, notebook, telefono cellulare, dispositivo di puntamento impugnabile, o altro dispositivo ancora. Il sistema elettronico portatile 200 comprende uno o più sensori inerziali 19 e/o 99 secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione della presente invenzione precedentemente descritte. I sensori inerziali 19, 99 sono atti a rilevare una o più direzioni di movimento del sistema elettronico portatile 200 e/o l’accelerazione a cui tale sistema elettronico portatile 200 à ̈ sottoposto durante l’uso, ed a comunicare l’informazione rilevata ad un microcontrollore 201 per gli scopi previsti dall’applicazione specifica. Il collegamento tra ciascun sensore inerziale 19, 99 e il microcontrollore 201 comprende, secondo una forma di realizzazione, una catena di trattamento di segnali, ad esempio includente un circuito campionatore S/H ed un convertitore analogicodigitale ADC.

Altre applicazioni dei sensori inerziali 19, 99 sono possibili, ad esempio essi possono essere disposti su veicoli di trasporto, per rilevare brusche decelerazioni, o impatti di tali autoveicoli, o qualsiasi altra applicazione in cui sia necessario un accelerometro e/o sensore di movimento.

Risulta infine chiaro che al sensore inerziale qui descritto ed illustrato, possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, à ̈ possibile variare, durante l’utilizzo del sensore inerziale 19, la frequenza del segnale alimentato alla bobina di eccitazione 24, variando così di conseguenza, come precedentemente illustrato, la frequenza di oscillazione del campo magnetico generato dalla bobina di eccitazione 24 e rilevato dalle bobine di rilevamento. Aumentando la frequenza rispetto ad un valore base (ad esempio, se la frequenza base à ̈ 1 GHz la si porta ad alcuni GHz), si ha un conseguente aumento della sensibilità e della risoluzione del sensore inerziale 19, a parità di condizioni al contorno (in particolare a parità di distanze reciproche tra le bobine di eccitazione/rilevamento e massa sospesa).

Secondo una ulteriore forma di realizzazione, e come accennato in precedenza, à ̈ possibile utilizzare una frequenza di oscillazione del campo magnetico generato dalla bobina di eccitazione 24 bassa (ad esempio tra 10 MHz e 100 MHz, estremi inclusi) e rilevare variazioni di valori di ampiezza di almeno un parametro elettrico (ad esempio tensione o corrente) delle bobine di rilevamento, grazie alla variazione della riluttanza dei circuiti magnetici (che cresce al crescere della lunghezza del traferro (“gap†) tra lo strato concentratore 39 e la superficie 22a).

La riluttanza cresce col crescere della lunghezza del percorso magnetico del flusso al di fuori dello strato concentratore 39, mentre à ̈ inversamente proporzionale alla permeabilità del materiale in cui il campo magnetico considerato fluisce (facilità del materiale a lasciarsi attraversare dal campo magnetico). È quindi possibile, in modo analogo a quanto precedentemente descritto, rilevare movimenti della massa mobile rilevando variazioni della riluttanza tramite variazioni di ampiezza di almeno un parametro elettrico (tensione o corrente). Ad esempio, considerando un caso esemplificativo in cui sono presenti due sole bobine di rilevamento 25a, 25b, quando la massa mobile, spostandosi, si avvicina ad una bobina di rilevamento 25a, la riluttanza in corrispondenza del percorso che comprende la bobina di eccitazione 24, lo strato concentratore 39, la bobina di rilevamento 25a, e il traferro (“gap†) tra lo strato concentratore 39 e la superficie 22a diminuisce, e quindi aumenta l’ampiezza di un corrispondente parametro elettrico (tensione o corrente); viceversa, la riluttanza in corrispondenza del percorso che comprende la bobina di eccitazione 24, lo strato concentratore 39 e la bobina di rilevamento 25b e il traferro (“gap†) tra lo strato concentratore 39 e la superficie 22a, aumenta, e quindi diminuisce l’ampiezza di un corrispondente parametro elettrico (tensione o corrente). Si ricava in questo modo il moto della massa mobile in avvicinamento alla bobina di rilevamento 25a ed in allontanamento dalla bobina di rilevamento 25b.

Inoltre, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione mostrata in figura 12 (in vista superiore), il sensore inerziale 19 può comprendere una sola bobina di rilevamento (ad esempio, la sola bobina di rilevamento 25a). In questo caso, movimenti della massa sospesa 36 aventi almeno una componente lungo l’asse su cui si trova la bobina di rilevamento (es., asse X) sono rilevati analizzando il segnale di tensione/corrente indotto nella sola bobina di rilevamento 25a. Un aumento del valore di segnale considerato (ad esempio, considerando la tensione picco-picco, un aumento del valore Vpp,a), indica un movimento della massa sospesa lungo X verso la bobina di rilevamento 25a; viceversa, una diminuzione del valore di segnale considerato (ad esempio, considerando la tensione picco-picco, una diminuzione del valore Vpp,a), indica un movimento della massa sospesa lungo X in allontanamento dalla bobina di rilevamento 25a.

Analogamente si può misurare un valore di velocità di movimento della massa sospesa 36, sfruttando l’effetto Doppler come precedentemente descritto, sulla base del valore di lunghezza d’onda “apparente†associato al segnale di tensione/corrente indotto nella bobina di rilevamento 25a. Si ricava inoltre il valore di accelerazione della massa sospesa 36.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione, mostrata in figura 13, sono presenti due bobine di rilevamento, disposte lungo assi tra loro ortogonali (ad esempio, una bobina di rilevamento lungo l’asse X, ad esempio la bobina di rilevamento 25a, e una bobina di rilevamento lungo l’asse Y, ad esempio la bobina di rilevamento 25c).

In questo modo à ̈ possibile rilevare movimenti biassiali, cioà ̈ spostamenti della massa sospesa 36 aventi almeno una componente lungo l’asse X e una lungo l’asse Y. Più in dettaglio, un aumento del valore di segnale considerato (ad esempio un aumento del valore picco-picco della tensione indotta nella bobina di rilevamento 25a) indica un movimento della massa sospesa lungo X verso la bobina di rilevamento 25a. Un aumento del valore di segnale considerato (ad esempio un aumento del valore picco-picco della tensione indotta nella bobina di rilevamento 25c) indica un movimento della massa sospesa lungo Y verso la bobina di rilevamento 25c. Tali spostamenti lungo X e Y possono, ovviamente, avvenire contemporaneamente (cioà ̈ la massa sospesa si muove con componenti di moto lungo entrambi gli assi X e Y). In modo analogo a quanto qui descritto à ̈ possibile rilevare spostamenti della massa sospesa 36 in allontanamento dalla bobina di rilevamento 25a e/o dalla bobina di rilevamento 25c (diminuzione dei valori picco-picco).

Risulta evidente che altri movimenti sono rilevabili, ad esempio un avvicinamento della massa sospesa 36 verso la bobina di rilevamento 25c (aumento del valore picco-picco della tensione indotta nella bobina di rilevamento 25c) e un contemporaneo allontanamento della massa sospesa 36 dalla bobina di rilevamento 25a (diminuzione del valore picco-picco della tensione indotta nella bobina di rilevamento 25a), o altre combinazioni ancora.

Come precedentemente descritto, à ̈ ricavabile anche il valore di accelerazione della massa sospesa 36 in avvicinamento o in allontanamento dalle bobina di rilevamento 25a, 25c (mediante operazione di derivata del valore di velocità, si veda la descrizione precedente).

Sia per la forma di realizzazione di figura 12 che per quella di figura 13, il movimento della massa sospesa 36 può avvenire esclusivamente lungo l’asse Z, o lungo entrambi gli assi X e Z, o lungo entrambi gli assi Y e Z o in tre dimensioni lungo gli assi X, Y e Z.

In alternativa all’ampiezza o al valore picco-picco di un parametro elettrico, si può considerare il suo valore efficace (“root mean square†) per rilevare il movimento della massa sospesa 36 e la sua conseguente direzione, velocità ed accelerazione.

Secondo una ulteriore variante del sensore inerziale descritto, la massa sospesa 36, che porta lo strato concentratore 39, à ̈ non sovrapposta, in vista superiore, alle bobine di rilevamento. In ogni caso, à ̈ preferibile scegliere le dimensioni e la forma della massa sospesa 36 in modo tale che, anche nella condizione di massimo spostamento rispetto alla posizione di riposo, essa sia almeno parzialmente sovrapposta, in vista superiore, alla bobina di eccitazione 24, in modo tale da “ricevere†il campo magnetico generato da quest’ultima.

Sono comunque possibili numerose varianti rispetto a quanto mostrato, anche congiuntamente all’arte nota.

Ad esempio si possono usare diversi tipi di segnali alternativi al segnale sinusoidale utilizzato esemplificativamente nella presente descrizione. Ad esempio, segnali a denti di sega, segnali triangolari, segnali impulsivi o altro ancora.

Inoltre, le rispettive geometrie delle bobine e della massa mobile non sono da considerarsi limitative.

Claims (24)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore inerziale (19; 99) comprendente: - un corpo (21, 22) di materiale semiconduttore, avente una prima (22a) e una seconda (21b) superficie; - una bobina di eccitazione (24) portata da detto corpo (21, 22); - una prima bobina di rilevamento (25a), portata da detto corpo (21, 22), ed estendentesi ad una prima distanza dalla bobina di eccitazione (24) lungo un primo asse (X); - una massa sospesa (36) includente un concentratore di campo magnetico (39), estendentesi al di sopra della prima superficie (22a) in modo tale da essere magneticamente accoppiabile alla bobina di eccitazione (24) e alla prima bobina di rilevamento (25a), e configurata per muoversi per effetto inerziale (“inertially displacing†); e un circuito di alimentazione e rilevamento (23), elettricamente accoppiato alla bobina di eccitazione (24) e alla prima bobina di rilevamento (25a), e configurato per: generare un flusso di corrente elettrica (I) variabile nel tempo attraverso la bobina di eccitazione (24) così da generare un campo magnetico (B) che, in uso, interagisce con detto concentratore di campo magnetico (39) in modo tale da indurre una grandezza elettrica (“electric quantity†) nella bobina di rilevamento (25a); e misurare un valore di detta grandezza elettrica indotta nella prima bobina di rilevamento (25a), così da rilevare una grandezza associata allo spostamento (“displacement†) della massa sospesa (36).
2. 2. Sensore inerziale secondo la rivendicazione 1, in cui la grandezza elettrica indotta nella bobina di rilevamento à ̈ una tensione elettrica o una corrente elettrica, e detto valore da misurare à ̈ un valore di picco o un valore efficace (“root mean square†) della grandezza elettrica.
3. 3. Sensore inerziale secondo la rivendicazione 1, in cui la variazione della grandezza elettrica indotta nella prima bobina di rilevamento (25a) Ã ̈ dovuta ad una variazione di riluttanza del circuito magnetico fra la bobina di eccitazione (24) e la prima bobina di rilevamento (25a), detto circuito magnetico includendo la massa sospesa (36) provvista del concentratore di campo magnetico (39).
4. 4. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la grandezza associata allo spostamento della massa sospesa (36) comprende una direzione e un verso di spostamento della massa sospesa, e/o una velocità di spostamento della massa sospesa, e/o una accelerazione della massa sospesa.
5. 5. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa sospesa (36) Ã ̈ configurata per muoversi lungo un primo piano (XY) parallelo al primo asse (X).
6. 6. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa sospesa (36) Ã ̈ inoltre configurata per muoversi lungo un secondo piano (YZ) ortogonale al primo asse (X).
7. 7. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’entità dello spostamento della massa sospesa (36) à ̈ misurata in funzione dell’entità del campo magnetico alimentato (“supplied†) dal concentratore di campo magnetico (39) alla prima bobina di rilevamento (25a).
8. 8. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il flusso di corrente elettrica (I) Ã ̈ un segnale variabile nel tempo con frequenza da 1 Hz a 300 GHz.
9. 9. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il concentratore di campo magnetico (39) Ã ̈ uno strato di materiale magnetico.
10. 10. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito di alimentazione e rilevamento (23) à ̈ inoltre configurato per: - acquisire una frequenza effettiva di variazione nel tempo del flusso di corrente elettrica (I) ed una lunghezza d’onda effettiva associata a detta frequenza effettiva; - misurare una frequenza apparente di variazione nel tempo di detta grandezza elettrica indotta nella prima bobina di rilevamento e ricavare una lunghezza d’onda apparente associata a detta frequenza apparente; - calcolare, sulla base dei valori della lunghezza d’onda effettiva e della lunghezza d’onda apparente, un valore di velocità (VSM) a cui si muove la massa sospesa (36); e - eseguire una operazione di derivata temporale del valore di velocità (VSM) così da ottenere un valore di accelerazione della massa sospesa (36).
11. 11. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la bobina di eccitazione (24) e la prima bobina di rilevamento (25a) sono avvolgimenti planari estendentesi parallelamente alla prima superficie (22a) del corpo (21, 22).
12. 12. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di alimentazione e rilevamento (23) include: un generatore di corrente (27) configurato per generare il flusso di corrente elettrica (I); e un circuito sensore di corrente (S/H, ADC, 201), configurato per rilevare un valore associato alla corrente indotta nella prima bobina di rilevamento (25a).
13. 13. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa sospesa (36) comprende una porzione strutturale (36) atta a portare (“carry†) il concentratore di campo magnetico (39), detta massa sospesa (36) essendo sostenuta da una o più molle (38) atte a consentire un movimento della massa sospesa lungo una direzione parallela e/o ortogonale al primo asse (X).
14. 14. Sensore inerziale secondo la rivendicazione 13, in cui la massa sospesa (36) à ̈ alloggiata in un package (32) avente pareti perimetrali (32’, 32†) atte a circondare almeno parzialmente la massa sospesa, dette una o più molle (38) estendendosi tra le pareti perimetrali (32’, 32†) e la massa sospesa (36), solidali alle pareti perimetrali e alla porzione strutturale (36) della massa sospesa.
15. 15. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una seconda bobina di rilevamento (25c), portata da detto substrato (21, 22), ed estendentesi ad una seconda distanza dalla bobina di eccitazione (24) lungo un secondo asse (Y) complanare e ortogonale al primo asse (X), la massa sospesa (36) essendo inoltre configurata per muoversi lungo il secondo asse (Y), il circuito di alimentazione e rilevamento (23) essendo inoltre elettricamente collegato alla seconda bobina di rilevamento (25c), e configurato per misurare, in uso, un valore di una grandezza elettrica indotta nella seconda bobina di rilevamento, così da rilevare una grandezza associata allo spostamento della massa sospesa lungo il secondo asse (Y).
16. 16. Sensore inerziale secondo la rivendicazione 13, in cui l’entità dello spostamento della massa sospesa (36) lungo il secondo asse (Y) à ̈ misurata in funzione dell’entità del campo magnetico alimentato (“supplied†) dal concentratore di campo magnetico (39) alla seconda bobina di rilevamento (25c).
17. 17. Sensore inerziale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una terza bobina di rilevamento (25b), portata da detto substrato (21, 22), complanare alla, ed estendentesi ad una terza distanza dalla, bobina di eccitazione (24) lungo il primo asse (X), da parte opposta alla prima bobina di rilevamento (25a) rispetto alla bobina di eccitazione (24), il circuito di alimentazione e rilevamento (23) essendo inoltre elettricamente collegato alla terza bobina di rilevamento (25b), e configurato per misurare, in uso, un valore di una grandezza elettrica indotta nella terza bobina di rilevamento, così da rilevare una grandezza associata allo spostamento della massa sospesa lungo il primo asse (X) rispetto alla prima e alla terza bobina di rilevamento.
18. 18. Sistema portatile (200) comprendente almeno un sensore inerziale (19; 99) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-17.
19. 19. Metodo per operare un sensore inerziale includente un corpo (21, 22) di materiale semiconduttore, avente una prima (22a) e una seconda (21b) superficie; una bobina di eccitazione (24), portata da detto corpo (21, 22), elettricamente collegata al circuito di alimentazione e rilevamento (23); una prima bobina di rilevamento (25a), portata da detto corpo (21, 22), elettricamente collegata al circuito di alimentazione e rilevamento (23), ed estendentesi ad una prima distanza dalla bobina di eccitazione (24) lungo un primo asse (X); una massa sospesa (36) includente un concentratore di campo magnetico (39), estendentesi al di sopra della prima superficie (22a), magneticamente accoppiabile alla bobina di eccitazione (24) e alla prima bobina di rilevamento (25a), e configurata per muoversi per effetto inerziale, il metodo comprendendo le fasi di: - generare un flusso di corrente elettrica (I), variabile nel tempo, nella bobina di eccitazione (24), così da generare un campo magnetico (B); - ottenere una interazione tra il campo magnetico (B) e il concentratore di campo magnetico (39); - indurre una grandezza elettrica (“electric quantity†) nella bobina di rilevamento; - misurare un valore di detta grandezza elettrica indotta nella prima bobina di rilevamento; e - ricavare, sulla base del valore misurato di detta grandezza elettrica, una grandezza associata allo spostamento della massa sospesa (36).
20. 20. Metodo secondo la rivendicazione 19, in cui la grandezza elettrica indotta nella bobina di rilevamento à ̈ una tensione elettrica o una corrente elettrica, detta fase di misurare un valore di detta grandezza elettrica indotta nella prima bobina di rilevamento comprendendo misurare un valore di picco o un valore efficace (“root mean square†) della grandezza elettrica.
21. 21. Metodo secondo la rivendicazione 19, in cui misurare un valore di detta grandezza elettrica indotta nella prima bobina di rilevamento (25a) comprende rilevare la variazione di tale valore a seguito di una variazione di riluttanza del circuito magnetico fra la bobina di eccitazione (24) e la prima bobina di rilevamento (25a), detto circuito magnetico includendo la massa sospesa (36) provvista del concentratore di campo magnetico (39).
22. 22. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 19-21, in cui la fase di ricavare la grandezza associata allo spostamento della massa sospesa lungo il primo asse comprende ricavare una direzione e un verso di spostamento della massa sospesa, e/o una velocità di spostamento della massa sospesa, e/o una accelerazione della massa sospesa.
23. 23. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 19-22, in cui la fase di generare il flusso di corrente elettrica (I) nella bobina di eccitazione (24) comprende generare un flusso di corrente elettrica (I) che varia nel tempo con frequenza da 1 Hz a 300 GHz.
24. 24. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 19-23, comprendente inoltre le fasi di: - acquisire una frequenza effettiva di variazione nel tempo del flusso di corrente elettrica (I) ed una lunghezza d’onda effettiva associata a detta frequenza effettiva; - misurare una frequenza apparente di variazione nel tempo di detta grandezza elettrica indotta nella prima bobina di rilevamento e ricavare una lunghezza d’onda apparente associata a detta frequenza apparente; - calcolare, sulla base dei valori della lunghezza d’onda effettiva e della lunghezza d’onda apparente, un valore di velocità (VSM) a cui si muove la massa sospesa (36); e - eseguire una operazione di derivata temporale del valore di velocità (VSM) così da ottenere un valore di accelerazione della massa sospesa (36).