IT201900019169A1 - Interruttore impermeabile azionabile da un fluido quale aria e utilizzabile in particolare per l'attivazione di un apparecchio inalatore, quale una sigaretta elettronica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“INTERRUTTORE IMPERMEABILE AZIONABILE DA UN FLUIDO QUALE ARIA E UTILIZZABILE IN PARTICOLARE PER L'ATTIVAZIONE DI UN APPARECCHIO INALATORE, QUALE UNA SIGARETTA ELETTRONICA”

La presente invenzione è relativa ad un interruttore impermeabile azionabile da un fluido quale aria e utilizzabile in particolare per l'attivazione di un apparecchio inalatore, quale una sigaretta elettronica.

In particolare, nella descrizione che segue, si farà riferimento ad un interruttore di accensione utilizzato in una sigaretta elettronica, ma l'interruttore può trovare applicazione vantaggiosa anche in inalatori di diverso tipo, ad esempio nei dispositivi di ventilazione meccanica a pressione positiva continua (in inglese CPAP, acronimo di Continuous Positive Airway Pressure), utilizzati per il rilevamento di apnee notturne, in maschere antiinquinamento, in apparecchi di rilevamento di perdite di aria o altri fluidi, impiegati in campo industriale, e in generale nel campo automobilistico.

Come noto, gli inalatori sono apparecchi che permettono di inalare un fluido (ad esempio, aria contenente nicotina, aria o un aerosol contenente sostanze medicamentose o altre sostanze, per uso medico o veterinario) utilizzando l'apparato respiratorio di un essere vivente.

In questi dispositivi, in particolare in caso di uso discontinuo, generalmente è previsto un dispositivo di accensione separato. Ad esempio, in una sigaretta elettronica, è generalmente presente un accelerometro che è sempre attivo e attende un segnale caratteristico (ad esempio una sequenza di battute o colpi con le dita, chiamata taptap) per svegliare il resto dei componenti. In particolare, quando l'accelerometro riconosce la sequenza di colpi da parte dell'utente, esso genera un segnale di attivazione per un circuito che comanda la vaporizzazione di una soluzione liquida apposita, contenuta nella sigaretta elettronica, senza combustione di sostanze.

A tale scopo, la sigaretta elettronica comprende una camera di vaporizzazione, o atomizzatore, contenente una resistenza, ad esempio a forma di avvolgimento (e quindi generalmente chiamata ″coil″) che, quando alimentata tramite una batteria, surriscalda direttamente o indirettamente la soluzione liquida, facendola evaporare.

Per attivare la resistenza, le sigarette elettroniche disponibili in commercio possono comprendere un sensore di pressione locale, che misura la pressione all'interno della camera di vaporizzazione, un sensore di pressione ambientale (barometro), che misura la pressione nell'ambiente esterno, e un circuito che confronta i segnali generati da questi, per determinare quando l'utente aspira aria.

Inoltre, la sigaretta elettronica è spesso dotata di un indicatore luminoso, quale una luce LED, che segnala quando essa è pronta per funzionare e può essere dotata di una porzione di estremità luminosa, che viene accesa al rilevamento dell'aspirazione, simulando così il tipico colore rosso della combustione di una tradizionale sigaretta, per riprodurre la sensazione, anche ottica, del fumo di sigarette tradizionali.

Un esempio dei circuiti di attivazione di una sigaretta elettronica del tipo indicato è mostrato nelle figure 1-3.

In dettaglio, le figure 1-3 mostrano una sigaretta elettronica 1 avente un involucro 2 presentante una dimensione maggiore (lunghezza) lungo un primo asse Y di un sistema di coordinate cartesiano XYZ e area trasversale (in piani paralleli ad un piano cartesiano XZ) minore della lunghezza. L'involucro 2 comprende una porzione tubolare 3 e una porzione di aspirazione 4 disposte in proseguimento una all'altra lungo il primo asse Y ed aventi qui uguale sezione trasversale, ad esempio circolare, rettangolare o ovalizzata.

La porzione di aspirazione 4 è aperta ad una prima estremità, rivolta verso la porzione tubolare 3, ed ha una seconda estremità chiusa da una parete di fondo 4A (figura 3) dotata di una apertura di aspirazione 4B, mostrata tratteggiata in figura 3, per consentire l'aspirazione da parte di un fumatore.

La porzione tubolare 3 è aperta ad entrambe le estremità ed è divisa internamente in una prima e in una seconda parte 5, 6 da una parete divisoria 7 che si estende trasversalmente alla porzione tubolare 3 (generalmente parallela al piano cartesiano XZ).

La prima parte 5 della porzione tubolare 3 è disposta in prossimità della porzione di aspirazione 4 e forma con questa una camera di vaporizzazione 8 alloggiante un serbatoio 9, un canale per l'aria 10, circondato dal serbatoio 9, e un riscaldatore 11, interposto fra il serbatoio 9 e il canale per l'aria 10 in prossimità della parete divisoria 7. Fra la parete divisoria 7 e il fondo del serbatoio 9 è presente una prima intercapedine 12 che si estende per tutta l'area trasversale della porzione tubolare 3 ed è in collegamento fluidico con il canale per l'aria 10. Fra la parete della prima parte 5 della porzione tubolare 3 e il serbatoio 9 è presente una seconda intercapedine 15, di forma tubolare, in collegamento fluidico con la prima intercapedine 12 ed aperta verso l'esterno in corrispondenza delle estremità mutuamente affacciate della porzione tubolare 3 e della porzione di aspirazione 4. La seconda intercapedine 15, la prima intercapedine 12 e il canale per l'aria 10 formano un percorso fluidico (indicato da frecce A) per l'aria aspirata attraverso l'apertura di aspirazione 4B nella parete di fondo 4A della porzione di aspirazione 4.

Il canale per l'aria 10 e il serbatoio 9 sono in collegamento attraverso uno o più fori 16 che permettono ad un fluido presente nel serbatoio 9 di percolare verso il riscaldatore 11, dove esso viene vaporizzato e mescolato all'aria aspirata. Una regione spugnosa o un tessuto, non mostrato, può essere disposta in prossimità del riscaldatore 1,per favorire l'uscita del liquido dal serbatoio 9 e la sua vaporizzazione. In una variante non mostrata, il canale per l'aria 10 non è un canale fisicamente separato dal serbatoio 10, ma il serbatoio 9 presenta inferiormente dei fori affacciati alla prima intercapedine 12 per consentire il passaggio dell'aria attraverso il serbatoio 9 stesso, con mescolamento con le sostanze vaporizzate, creando un canale virtuale.

La seconda parte 5 della porzione tubolare 3 forma una camera aperta 17 alloggiante una scheda 18 disposta longitudinalmente all'involucro 2 e portante componenti elettronici 20-23, come sotto specificato.

In particolare, i componenti elettronici 20-23 comprendono un'unità di comando 20, ad esempio un ASIC o un microcontrollore, un accelerometro 21, un sensore di pressione ambientale 22 ed un sensore di pressione interna 23. La seconda parte 5 della porzione tubolare 3 alloggia inoltre una batteria 24, mostrata schematicamente e accoppiata elettricamente ai componenti elettronici 20-23 in modo non mostrato, per la loro alimentazione elettrica.

L'unità di comando 20 è inoltre accoppiata elettricamente con tutti gli altri componenti elettronici 21-23 e con il riscaldatore 11, in modo non mostrato, in modo da ricevere i segnali di movimento e di pressione rilevati e comandare il funzionamento del riscaldatore 11, come sotto spiegato.

Il sensore di pressione ambientale 22 è sensibile alla pressione esistente nella camera aperta 17, e quindi misura la pressione nell'ambiente esterno.

Il sensore di pressione interna 23 è affacciato ad un canale di rilevamento 26 delimitato da una parete di canale 37 estendentesi dalla parete divisoria 7 verso l'interno della seconda parte 6 della porzione tubolare 3. La parete di canale 37 presenta un'apertura da cui si diparte una porzione di parete tubolare 38 estendentesi verso la scheda e circondante il sensore di pressione interna 23. Una guarnizione 27 è disposta fra il sensore di pressione interna 23 e la porzione di parete tubolare 38, sigillando il percorso fluidico dell'aria aspirata e la parte sensibile del sensore di pressione interna 23 rispetto alla camera aperta 17. Inoltre, una massa di gel copre il sensore di pressione interna 23, in modo che questo può rilevare la pressione esistente nella prima intercapedine 12 ed è protetto nei rispetti di eventuale perdite di liquido provenienti dal serbatoio 9

La sigaretta elettronica 1 opera come segue.

L'accelerometro 21 è sempre acceso e rimane in attesa di riconoscere la sequenza di attivazione da parte dell'utente, ad esempio una successione di piccoli colpi sulla sigaretta elettronica 1.

Al rilevamento dei colpi, l'accelerometro 21 invia i relativi segnali all'unità di comando 20 che, al riconoscimento della sequenza di attivazione prevista, accende gli altri componenti, in particolare il sensore di pressione ambientale 22 e il sensore di pressione interna 23. Se previsto, l'unità di comando 20 accende una luce LED per segnalare che la sigaretta elettronica 1 è pronta.

Quando l'utilizzatore inizia ad aspirare attraverso l'apertura di aspirazione 4B nel fondo della porzione di aspirazione 4, aria viene aspirata dall'esterno secondo il percorso delle frecce A, entrando nell'apertura di ingresso fra la porzione tubolare 3 e la porzione di aspirazione 4, e percorrendo il percorso fluidico costituito dalla seconda intercapedine 15, dalla prima intercapedine 12 e dal canale per l'aria 10. Nel canale di rilevamento 26 si crea quindi una depressione. Il sensore di pressione interna 23, affacciato al canale di rilevamento 26, rileva la depressione e genera un corrispondente segnale per l'unità di comando 20. Sulla base della differenza dei segnali del sensore di pressione interna 23 e del sensore di pressione ambientale 22, l'unità di comando 20 riconosce l'aspirazione e attiva il riscaldatore 11. Di conseguenza, questo riscalda il liquido che proviene dal serbatoio 9 (eventualmente imbibente la regione spugnosa o il tessuto, non mostrati) e lo vaporizza, causandone il mescolamento con l'aria aspirata.

Tale schema di funzionamento è alquanto complesso e comporta elevati consumi, sia a causa dell'elevato numero di componenti esistenti, sia a causa dello stato sempre acceso dell'accelerometro 21. Inoltre, esso presenta costi non indifferenti.

Il brevetto statunitense 10,334,887 descrive un nebulizzatore dotato di un unico sensore disposto sul percorso fluidico dell'aria aspirata e in grado di rilevare la depressione generata dall'aspirazione. Al rilevamento della depressione, il sensore (costituito da uno ″strain gauge″, di tipo resistivo, o di tipo capacitivo) genera un segnale di attivazione (″trigger″) fornito ad un controllore che comanda l'alimentazione ad un riscaldatore.

Tale soluzione risolve in parte il problema di costo sopra indicato, dato che utilizza un solo sensore, ma non il problema di consumo, dato che il sensore deve essere sempre acceso ed alimentato, per rilevare la pressione esistente nel percorso fluidico.

Scopo della presente invenzione consiste quindi nel mettere a disposizione un dispositivo che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un interruttore MEMS azionabile da un fluido, come definito nelle rivendicazioni allegate.

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

- la figura 1 è una vista laterale di una sigaretta elettronica nota;

- la figura 2 è una sezione trasversale, presa lungo la linea di sezione II-II di figura 3, di una parte della sigaretta elettronica di figura 1;

- la figura 3 è una sezione longitudinale, presa lungo la linea di sezione III-III di figura 2, della sigaretta elettronica di figura 1;

- la figura 4 è una sezione trasversale di una porzione di sigaretta includente il presente interruttore secondo una forma di realizzazione;

- la figura 4A mostra un dettaglio ingrandito della figura 4;

- la figura 5 è una sezione trasversale di una porzione di sigaretta includente il presente interruttore secondo un'altra forma di realizzazione;

- le figure 6A-6E sono viste dall’alto di possibili forme di realizzazione di un sensore piezoelettrico presente nell'interruttore delle figure 4 e 5;

- la figura 7 mostra in vista dall'alto una possibilità di connessione di porzioni sensibili del sensore piezoelettrico delle figure 6C-6E;

- la figura 8 mostra uno schema elettrico di connessione per il sensore piezoelettrico delle figure 6C-6E;

- la figura 9 mostra una sezione trasversale presa lungo la linea di sezione IX-IX di figura 7 per il sensore piezoelettrico delle figure 6A-6C; e

- la figura 10 mostra una sezione trasversale presa lungo la linea di sezione X-X di figura 7 per il sensore piezoelettrico delle figure 6A-6C.

La figura 4 mostra una porzione di una sigaretta elettronica 101 avente la struttura generale mostrata nelle figure 1-3 e includente un interruttore secondo la presente divulgazione. Di conseguenza, la struttura generale della sigaretta elettronica non è riprodotta nei disegni e le parti della sigaretta elettronica analoghe a quelle descritte con riferimento alle figure 1 e 3 sono dotate di numeri di riferimento incrementati di 100.

Anche qui, la sigaretta elettronica 101 ha forma allungata in direzione parallela ad un primo asse Y di un sistema di coordinate cartesiane XYZ e comprende una porzione di aspirazione (non mostrata) analoga alla porzione di aspirazione 4 di figura 1 ed una porzione tubolare 103 in cui è disposto un interruttore 100. In particolare, la figura 4 mostra parte della porzione tubolare 103.

Come nelle figure 1-3, una parete divisoria 107 si estende trasversalmente alla porzione tubolare 103 e divide internamente quest'ultima in una prima parte 105 e in una seconda parte 106.

Analogamente alle figure 2 e 3, la prima parte 105 della porzione tubolare 103 è destinata ad alloggiare un serbatoio, un canale dell'aria, un riscaldatore (non mostrati in figura 4, analoghi agli omonimi componenti delle figure 2-3) e forma una intercapedine 112, analoga alla prima intercapedine 12 delle figure 2-3, e la seconda parte 106 forma una camera aperta 117 e alloggia un canale di rilevamento 124. La camera aperta 117 è destinata ad alloggiare una batteria 119 e l'interruttore 100, affacciato al canale di rilevamento 124.

Nella forma di realizzazione mostrata, l'interruttore 100 comprende una scheda 118 estendentesi parallelamente alla direzione longitudinale della sigaretta elettronica 103 (parallelamente ad un piano YZ del sistema di coordinate cartesiane XYZ) e portante, su una sua faccia 118A, un sensore di pressione piezoelettrico 130 e un'unità di comando 120.

Una parete di canale 137 si estende dalla parete divisoria 107 verso l'interno della seconda parte 106 della porzione tubolare 103 e delimita un canale di rilevamento 126. La parete di canale 137 presenta un'apertura 136 rivolta verso la scheda 118. Una parete tubolare 138 si estende dall'apertura 136 verso la scheda 118 ed è fissata a questa attraverso una parete di supporto 133.

Nella forma di realizzazione di figura 4, la parete di supporto 133 ha forma generalmente tubolare, di sezione ad esempio circolare, ovale o poligonale, circonda il sensore di pressione piezoelettrico 130 e l'unità di comando 120 e delimita un'area all'incirca pari all'area della scheda 118. La parete di supporto 133 è fissata ad una sua prima estremità alla faccia 118A della scheda 118 ed è inserita parzialmente, in corrispondenza di una sua seconda estremità, nella parete tubolare 138. Nella forma di realizzazione mostrata, in prossimità della sua seconda estremità, la parete di supporto 133 presenta una scanalatura 134 che si estende perifericamente ed esternamente alla parete di supporto 133 e alloggia una guarnizione 135. In questo modo è garantita la sigillatura della camera aperta 117 rispetto al canale di rilevamento 126.

La disposizione mostrata è tuttavia solo esemplificativa, e la parete di supporto 133 può essere fissata alla parete tubolare 138 o direttamente all'apertura 136 tramite altre soluzioni di ritegno, ad esempio a scatto, con elementi di guarnizione posti diversamente.

Il sensore di pressione piezoelettrico 130 è realizzato con la tecnica MEMS ed è costituito da una piastrina 139 di materiale semiconduttore, quale silicio, avente una superficie superiore 139A su cui è fissata una membrana 142, e una superficie inferiore 139B fissata alla scheda 118 tramite uno strato di colla 141. La piastrina 149 presenta una cavità 140 estendentesi per il suo intero spessore. Lo strato di colla 141 presenta una prima apertura 143 in corrispondenza della cavità 140 e allineata a questa. La membrana 142 è sospesa sulla cavità 140 e ha una prima faccia 142A rivolta verso il canale di rilevamento 126 e una seconda faccia 142B rivolta verso la cavità 140. La cavità 140 del sensore di pressione piezoelettrico 130 è affacciata ad una seconda apertura 144 della scheda 118, anch'essa passante, di modo che la cavità 140 è in collegamento fluidico con la camera aperta 117.

L'unità di comando 120 è disposta affiancata al sensore di pressione piezoelettrico 130, è incollata alla scheda 118 sulla faccia 118A di questa tramite uno strato di colla 145 ed è costituita da un ASIC (″Application Specific Integrated Circuit″); essa è collegata al sensore di pressione piezoelettrico 130 tramite primi fili 146 e a regioni conduttive (non mostrate) della scheda 118 tramite secondi fili 147.

La scheda 118 può essere costituita da una scheda a circuito stampato standard, di materiale elettricamente isolante comprendente regioni conduttive (non mostrate) per la connessione elettrica all'unità di comando 120 (come indicato sopra), alla batteria 119 e al riscaldatore (non mostrato), in modo noto e non mostrato.

La scheda 118 è coperta, sulla sua faccia 118A, con una massa di gel 150 che circonda anche il sensore di pressione piezoelettrico 130 e l'unità di comando 120, impedendo che eventuali gocce di liquido vaporizzato dalla sigaretta elettronica 101 vengano a contatto con i componenti elettronici e li danneggino. La massa di gel 150 presenta flessibilità maggiore di quella della membrana 142, ma è incomprimibile, in modo da trasferire la pressione esistente nel canale di rilevamento 126 e quindi nella intercapedine 112 alla membrana 142.

Di conseguenza la membrana 142 è soggetta alla pressione esistente nel canale di rilevamento 126 sulla sua prima faccia 142A ed alla pressione ambiente sulla sua seconda faccia 142B.

La membrana 142 (si faccia anche riferimento alla figura 4A) è costituita essenzialmente da uno strato portante 151, ad esempio di silicio policristallino cresciuto epitassialmente, e da una pila piezoelettrica 152 disposta al di sopra dello strato portante 151.

La pila piezoelettrica 152 comprende una regione di nucleo 156, di materiale isolante, ad esempio di nitruro di allumino (AlN), una regione di elettrodo inferiore 153, ad esempio di molibdeno (Mo), una regione piezoelettrica 154, ad esempio di nitruro di allumino (AlN), e una regione di elettrodo superiore 155, ad esempio di molibdeno (Mo).

Uno strato di passivazione 171, ad esempio di nitruro di alluminio (AlN), copre la regione di elettrodo superiore 155 e, lateralmente, la pila piezoelettrica 152, tranne dove desiderato per le connessioni elettriche, come sotto discusso con riferimento alla figura 9.

La figura 4A mostra inoltre una possibile connessione elettrica fra lo strato portante 151 e la piastrina 139 attraverso vie 165 di silicio policristallino estendentisi dallo strato portante 151 attraverso aperture di connessione 166 formate in uno strato di ossido 167 coprente la superficie superiore 139A della piastrina 139.

In figura 4A, la piastrina 139 può avere uno spessore compreso fra 50 e 5000, ad esempio pari a 1000 µm, lo strato di ossido 167 può avere uno spessore compreso fra 20nm e 1 µm, ad esempio pari a 500 nm; lo strato portante 151 può avere spessore compreso fra 2 e 20, ad esempio pari a 10 µm; la regione di nucleo 156 può avere spessore compreso fra 4 e 50 nm, ad esempio pari a 35 nm; l'elettrodo inferiore 153 può avere spessore compreso fra 50 e 200 nm, ad esempio pari a 100 nm; la regione piezoelettrica 154 può avere spessore compreso fra 0.1 e 5 µm, ad esempio pari a 1 µm; l'elettrodo superiore 155 può avere spessore compreso fra 50 e 500 nm, ad esempio pari a 100 nm; e lo strato di passivazione 171 può avere spessore compreso fra 50 e 1000 nm, ad esempio pari a 100 nm.

In uso, e con sigaretta elettronica 101 inattiva, essa consuma una bassissima corrente, dato che solo una piccola porzione di ingresso dell'unità di comando 120 è accesa, il riscaldatore (non mostrato) è spento il sensore di pressione piezoelettrico 130 non è alimentato. Inoltre, in questa situazione, la pressione sulle due facce 142A e 142B della membrana 142 è approssimativamente uguale e la pila piezoelettrica 152 è in una posizione di riposo, non sollecitata, e non genera alcun segnale elettrico. Quando un fumatore aspira, provocando un flusso d'aria secondo le frecce A di figura 2, nel canale di rilevamento 126 si crea una depressione. Di conseguenza, fra le due facce 142A e 142B della membrana 142 nasce una differenza di pressione che provoca una deformazione della membrana 142 stessa e la generazione di carica elettrica ovvero di una corrente da parte della regione piezoelettrica 154. Tale corrente viene fornita all'unità di comando 120. Questa, al ricevimento della corrente dal sensore di pressione piezoelettrico 130, si accende e attiva il riscaldatore (non mostrato), consentendo il funzionamento della sigaretta elettronica 101.

In questo modo, l'interruttore 100, dotato di un singolo sensore di tipo piezoelettrico e sfruttando la capacità dei materiali piezoelettrici di generare corrente quando deformati, senza bisogno di essere alimentati elettricamente, consente l'accensione della sigaretta che comincia a consumare corrente della batteria 119 sostanzialmente solo quando viene rilevata l'aspirazione da parte di un utilizzatore.

La figura 5 mostra un interruttore 200 che consente anche una misura precisa della depressione esistente nella camera di rilevamento 126.

Analogamente all'interruttore 100 di figura 4, l'interruttore 200 comprende una scheda portante un sensore di pressione piezoelettrico e una unità di comando, che quindi sono stati identificati ancora dai numeri di riferimento 130 e 120, rispettivamente. Inoltre, l'interruttore 200 di figura 5 comprende un sensore barometrico 230, disposto sulla scheda 118 e realizzato anch'esso in tecnologia MEMS.

Per maggiore comprensione, nell'interruttore 200 di figura 5, la piastrina 139, la membrana 142, la cavità 140 e lo strato di colla 141 del sensore di pressione piezoelettrico 130 verranno chiamati in seguito come prima piastrina 139, prima membrana 142, prima cavità 140 e primo strato di colla 141.

Il sensore barometrico 230 può essere realizzato in qualunque modo adatto a rilevare pressioni differenziali in modo preciso. Ad esempio, può essere di tipo capacitivo, di tipo piezoresistivo, uno ″strain gauge″, ecc.

Il sensore barometrico 230 comprende una seconda piastrina 239, ad esempio di materiale semiconduttore quale silicio, avente una superficie superiore 239A e una superficie inferiore 239B. La seconda piastrina 239 è fissata alla scheda 118 con la sua superficie inferiore 239B tramite un secondo strato di colla 241 e alloggia una seconda cavità 204 estendentesi al di sotto e parallelamente alla superficie superiore 239A della seconda piastrina 239. La porzione della seconda piastrina 239 disposta fra la sua superficie superiore 239A e la seconda cavità 204 forma una seconda membrana 242. La seconda cavità 204 è di tipo sepolto ed è collegata ad una terza apertura 243 nel secondo strato di colla 241 e ad una quarta apertura 244 nella scheda 118 attraverso un foro 231 estendentesi dalla superficie inferiore 239B della seconda piastrina 239 fino alla seconda cavità 204. Il foro 231 presenta diametro molto minore rispetto alla seconda cavità 204.

La seconda piastrina 239 è inoltre collegata all'unità di comando 120 attraverso terzi fili 246 ed è circondata anch'essa dalla massa di gel 150.

Il sensore barometrico 230 presenta elevata precisione di rilevamento della pressione differenziale esistente fra la camera di rilevamento 126 e la camera aperta 117 e genera in uscita un segnale di pressione differenziale preciso fornito all'unità di comando 120 dell'interruttore 200. Tale segnale preciso può quindi essere utilizzato dall'unità di comando 120 dell'interruttore 200 per fornire all'esterno un'informazione precisa di flusso ed eventualmente comandare ulteriori componenti a scopo di regolazione. Il sensore barometrico 200, che presenta un consumo di corrente non trascurabile, può qui essere attivato dall'unità di comando 120 solo dopo che il sensore piezoelettrico 130 ha attivato quest'ultima, limitando quindi il suo consumo solo dopo che l'interruttore piezoelettrico 130 ha rilevato l'aspirazione o, in generale, la presenza di un flusso d'aria tale da causare una deformazione della membrana 142.

Tale soluzione è particolarmente vantaggiosa nel caso in cui l'interruttore 200 venga utilizzato in un apparecchio di inalazione di tipo medicale o in un sensore di perdite di pressione in ambiente industriale, in cui si desidera che l'interruttore, oltre ad attivare o disattivare un circuito elettronico, sia in grado anche di monitorare il valore della variazione di pressione che si verifica nella camera di rilevamento 126, senza tuttavia avere consumo di corrente in condizione inattiva.

Le figure 6A-6E mostrano diverse possibili forme della membrana 142 del sensore di pressione piezoelettrico 130.

In figura 6A, in vista dall'alto, la piastrina 139 ha forma quadrata, lo strato portante 151 ha forma circolare con un primo diametro e la pila piezoelettrica 152 ha anch'essa forma circolare, concentrica allo strato portante 151, e di diametro minore a quest'ultimo.

In figura 6B, lo strato portante 151 ha ancora forma circolare con un primo diametro e la pila piezoelettrica 152 ha forma anulare, concentrica e di diametro massimo minore rispetto allo strato portante 151.

In figura 6C, lo strato portante 151 ha ancora forma circolare con un primo diametro, e la pila piezoelettrica 152 è costituita da quattro settori circolari 157, affiancati in modo da avere un ingombro generalmente circolare, di diametro inferiore rispetto allo strato portante 151.

In figura 6D, la pila piezoelettrica 152 è costituita da quattro settori anulari 158, affiancati in modo da avere un ingombro generalmente anulare di diametro massimo uguale a quello dello strato portante 151.

In figura 6E, la pila piezoelettrica 152 è costituita da quattro settori anulari 159, affiancati in modo da avere un ingombro generalmente anulare di diametro massimo inferiore rispetto allo strato portante 151.

I settori circolari 157 e i settori anulari 159 dei sensori di pressione differenziale 130 delle figure 6C-6E possono essere collegati in serie, come mostrato nelle figure 7-9, esemplificativamente, per il sensore di pressione piezoelettrico 130 di figura 6E.

In dettaglio, in figura 7 i settori anulari 159 sono indicati come primo 159.1, secondo 159.2, terzo 159.3 e quarto settore anulare 159.4, disposti affiancati e nella successione indicata dal rispettivo numero. Regioni di connessione 160 si estendono fra settori anulari adiacenti, tranne che fra il primo e l'ultimo settore anulare 159.1 e 159.4 che sono collegati tramite una prima e una seconda regione conduttiva 161.1, 161.2 ad una rispettiva prima e seconda piazzola di contatto 162.1, 162.2.

Le regioni di connessioni 160 fra due settori anulari adiacenti 159 sono realizzate in modo da connettere elettricamente una regione di elettrodo inferiore (153 in figura 3 o 4) di un settore anulare 159.1, 159.2, 159.3 con una regione di elettrodo superiore 155 di un settore anulare 159.2, 159.3, 159.4 adiacente, come spiegato sotto con riferimento alla figura 9. In questo modo, si veda anche la figura 8, i settori anulari 159.1-159.4, rappresentabili elettricamente come condensatori C1-C4, sono collegati reciprocamente in serie fra un primo terminale (corrispondente ad esempio alla prima piazzola di contatto 162.1) posto a massa e un secondo terminale (corrispondente ad esempio alla seconda piazzola di contatto 162.2) fornente in uscita una tensione Vo correlata alla corrente generata dal sensore di pressione piezoelettrico 130 al rilevamento di una depressione, come sopra spiegato.

In questo modo, viene ottenuto il migliore compromesso fra massimizzazione della capacità totale C e tensione di uscita Vo.

La figura 9 mostra un esempio di realizzazione di una regione di connessione 160 fra due settori anulari adiacenti, ad esempio il primo settore anulare 159.1 e il secondo settore anulare 159.2.

In figura 9, sullo strato portante 151 si estendono porzioni degli strati formanti la pila 142. Come si nota, le porzioni delle regioni di nucleo 156 e le porzioni delle regioni di elettrodo inferiore 153, di forma uguale fra loro, sporgono rispetto alle rispettive porzioni della regione piezoelettrica 154 e della regione di elettrodo superiore 155; lo strato di passivazione 171 si estende su tutta la superficie della membrana 142 e presenta aperture 172 in corrispondenza della porzione sporgente della regione di elettrodo inferiore 153 del secondo settore anulare 159.2 e sulla porzione di elettrodo superiore 155 del primo settore anulare 159.1; e una regione di connessione 160 si estende al di sopra dello strato di passivazione 171 ed in contatto elettrico diretto con la regione di elettrodo inferiore 153 del secondo settore anulare 159.2 e con la regione di elettrodo superiore 155 del primo settore anulare 159.1 in corrispondenza delle aperture 172.

La regione di connessione 160 è di materiale conduttivo, tipicamente metallo, ad esempio di TiW/Au.

La figura 10 mostra un esempio di realizzazione delle regioni conduttive 161.1, 161.2 (la figura si riferisce in particolare alla prima regione conduttiva 161.1, ma la struttura della seconda regione conduttiva 161.2 è la stessa). In particolare, le regioni conduttive 161.1, 161.2 sono realizzate nello stesso strato della regione di elettrodo inferiore 153 (qui identificato come strato di elettrodo inferiore 180), in prosecuzione di queste. Inoltre, anche qui le porzioni della regione di nucleo 156 estendono sotto le regioni conduttive 161.1, 161.2 e queste sono coperte dallo strato di passivazione 171.

Risulta infine chiaro che all'interruttore 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, le diverse forme di realizzazione descritte possono essere combinate in modo da fornire ulteriori soluzioni.

Inoltre, la forma delle porzioni sensibili del sensore di pressione piezoelettrico può variare. I settori circolari 157 e i settori anulari 159 dei sensori di pressione differenziale 130 delle figure 6C-6E possono inoltre essere anche in numero diverso da quattro.

L'interruttore può essere utilizzato in apparecchi di inalazione o di rilevamento di perdite di aria differenti dalla sigaretta elettronica descritta.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Interruttore MEMS (100; 200) azionabile da un fluido, comprendente un sensore di pressione piezoelettrico (130).
2. 2. Interruttore MEMS secondo la rivendicazione 1, includente inoltre una scheda (118) avente una faccia (118A) ed un foro passante (144), in cui il sensore di pressione piezoelettrico (130) è fissato alla faccia (118A) della scheda (118) e comprende una piastrina (139) di materiale semiconduttore avente una cavità passante (140) sovrastante e in collegamento fluidico con il foro passante (144) ed una membrana sensibile (142) estendentesi al di sopra della cavità passante (140) ed avente una prima ed una seconda superficie (142A, 142B), e in cui la scheda (118) presenta mezzi di fissaggio (133, 134) configurati per fissare la scheda (118) in una apertura (136) di una parete divisoria (107) separante reciprocamente un primo ed un secondo spazio (126, 117), con la prima superficie (142A) della membrana sensibile rivolta verso il primo spazio (126) e la seconda superficie (142B) della membrana sensibile (142) rivolta verso il secondo spazio (117).
3. 3. Interruttore MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui la membrana sensibile (142) comprende una pila piezoelettrica (151) includente una regione di elettrodo inferiore (153), una regione piezoelettrica (154), e una regione di elettrodo superiore (155).
4. 4. Interruttore MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui la pila piezoelettrica (151) presenta una forma scelta fra circolare, anulare, a settori circolari e a settori anulari.
5. 5. Interruttore MEMS secondo la rivendicazione 3, in cui la pila piezoelettrica (151) è costituita da una pluralità di settori (157; 158; 159; 159.1-159.4) adiacenti non contigui, collegati in serie, con una porzione di elettrodo superiore (155) di un primo settore (159).(1) della pluralità di settori (159.1-159.4) accoppiata elettricamente ad una porzione di elettrodo inferiore (153) di un secondo settore (159.2), adiacente al primo settore, una porzione di elettrodo inferiore (153) del primo settore (159.1) e una porzione di elettrodo superiore (155) di un ultimo settore (159.4) della pluralità di settori essendo accoppiato a terminali esterni (162.1, 162.2) del sensore di pressione piezoelettrico (130).
6. 6. Interruttore MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-5, comprendente una parete di supporto (133) di forma tubolare circondante il sensore di pressione piezoelettrico (130) ed avente una prima ed una seconda estremità, la prima estremità della parete di supporto essendo fissata alla faccia (118A) della scheda (118) e la seconda estremità della parete di supporto (133) avendo mezzi di ritegno (134, 135) configurati per essere accoppiati a tenuta con la parete divisoria (107).
7. 7. Interruttore MEMS secondo la rivendicazione precedente, comprendente uno strato di gel (150) all'interno della parete di supporto (133) e coprente il sensore di pressione piezoelettrico (130) e la faccia (118A) della scheda.
8. 8. Interruttore MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-7, comprendente inoltre una unità di comando (120) fissata alla faccia (118A) della scheda (118), accoppiata elettricamente al sensore di pressione piezoelettrico (130) e configurata per rilevare una deformazione della membrana sensibile del sensore di pressione piezoelettrico (130).
9. 9. Interruttore MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-8, comprendente inoltre un sensore barometrico 230 fissato alla faccia 118A della scheda 118.
10. 10. Interruttore MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui il sensore barometrico (230) è un sensore MEMS scelto fra un sensore di tipo capacitivo, un sensore di tipo resistivo, uno ″strain gauge″.
11. 11. Apparecchio di rilevamento del passaggio discontinuo di un fluido, comprendente un involucro (103), una parete (107) dividente l'involucro in una prima e in una seconda camera (105, 126, 117) e l'interruttore MEMS (100; 200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
12. 12. Sigaretta elettronica (101), comprendente un involucro (103), una parete (107) dividente l'involucro in una prima e in una seconda camera (105, 126, 117) e l'interruttore MEMS (100; 200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.