Experimental study of adhesion phenomena in microelectromechanical systems

The goal of this research is the measurement and the characterization of adhesion forces in MEMS devices, with a particular focus for MEMS accelerometers, for which such forces are usually highly critical. The adhesion force between movable and fixed parts of devices can indeed give rise to reliability problems. In this Thesis, experimental devices, which are as similar as possible to reallife MEMS accelerometer, are experimented and analyzed. Characterization occurs through suitably developed electronics boards, and adopting an innovative technique based on real time monitoring of the kinetic impact energy of the suspended mass of the test structure onto the mechanical stopper. Peculiarity of the work is thus also the close connection between pure scientific research on a particular phenomenon, still looking for physical explanations, and the information necessary for the proper, reliable design at an industrial device by MEMS design engineers. The thesis describes the innovative experimental measurements, which have been carried out, and the results are presented. Then, tentative critical analyses are performed to explain the findings.

Lo scopo di quetsa ricerca è la misura e la caratterizzazione delle forze di adesione nei dispositive MEMS, ponendo l’attenzione sugli accelerometri MEMS, per i quali tali forze sono, in generale, molto critiche. Infatti, la forza di adesione tra le parti mobili e fisse dei dispositivi può dare origine a problemi di affidabilità. In questa tesi, strutture test, il più possibile simili ad accelerometri MEMS reali, sono stati caratterizzati e analizzati. La caratterizzazione è avvenuta tramite la realizzazione di una scheda elettronica e tramite l’utilizzo di una innovativa tecnica basata sul monitoraggio dell’energia cinetica durante gli urti della massa mobile delle strutture test contro stopper meccanici. Peculiarità del lavoro è la stretta connessione tra la pura ricerca scientifica di un particolare fenomeno, del quale manca ancora una spiegazione scientifica condivisa, e le informazioni necessarie per una corretta ed affidabile progettazione di un dispositivo industriale da fornire ai designer di MEMS. La tesi descrive le innovative misure sperimentali che sono state condotte e presenta i risultati. Quindi vengono fornite alcuni riflessioni sulle analisi critiche per provare ad interpretare i risultati trovati.