Modelling and characterization of piezoelectric materials for microsystems

In the initial part of this study we retraced the literature on piezoelectricity. We mainly focused on the phenomenological treatment of piezoelectricity in MEMS microsystems, and then we mathematically describe the constitutive model of a piezoelectric ceramic material. So we have defined the main parameters that influence the magnitudes and constants in the piezoelectric thin film, and then move on to discuss the poling and its facets with a view to industrial production. The piezoelectric thin film materials are assuming great importance in the field of microsystems thanks to new types of production and processing. There is a clear distinction between bulk and thin films piezoelectric materials; this has introduced the need to focus on non-linear phenomena such as poling and the determination of the effective piezoelectric constant. The next step was to simulate with a finite element modeling software, Comsol multiphysics, a piezoelectric transducer device and then compare the results with a real set-up, selected from the available literature, to determine the piezoelectric constants. In conclusion, we have studied how to find the effective piezoelectric constants of thin materials. We also analyzed what are the parameters to be taken into account during the design and production of piezoelectric thin films MEMS.

Nella parte iniziale di questo lavoro abbiamo ripercorso la letteratura riguardante la piezoelettricità. Ci siamo maggiormente concentrati sulla trattazione fenomenologica della piezoelettricità nell’ambito dei microsistemi MEMS, per poi descrivere matematicamente il modello costitutivo di un materiale ceramico piezoelettrico. Quindi abbiamo definito i principali parametri che influenzano le grandezze e le costanti piezoelettriche nei film sottili, per poi passare alla trattazione della tecnologia di polarizzazione e delle sue sfaccettature in ottica di produzione industriale. I materiali piezoelettrici in film sottili stanno assumendo grande importanza nell'ambito dei microsistemi grazie anche alle nuove tipologie di produzione e di lavorazione. Esiste una netta distinzione tra materiali piezoelettrici utilizzati con elevato spessore e film sottili, questo ha introdotto la necessità di porre l'attenzione su fenomeni non lineari come la polarizzazione del materiale e la determinazione delle costanti piezoelettriche effettive. Il passo successivo è stato quello di simulare con un software di modellazione ad elementi finiti, Comsol multiphysics, un dispositivo di trasduzione piezoelettrica e poter poi confrontare i risultati con un set up reale, selezionato tra i disponibili in letteratura, per la determinazione delle costanti piezoelettriche. In conclusione abbiamo studiato come poter trovare le costanti piezoelettriche effettive di materiali utilizzati come film sottili. Abbiamo inoltre analizzato quali sono i parametri da tenere in considerazione durante la progettazione e produzione di sistemi MEMS piezoelettrici con film sottili