Multi-physics modelling and design of a new piezoelectric micro-gyroscope

In this thesis, a new type of micro-gyroscope that utilizes piezoelectric thin films as active material for the driving (Lead Zirconate Titanate) and sensing (Aluminum Nitride) actions is proposed. Micro-gyroscopes are one of the possible MicroElectroMechanical Systems (MEMS) available on the market. Thanks to their ability to measure the angular velocity, through the Coriolis apparent force, they are used in different fields such as navigation systems. Nowadays, capacitive micro-gyroscopes are dominating the market. One of the main limitation of this kind of devices is the energy consumption. The goal of the thesis is, then, to investigate the potentiality of piezoelectric micro-gyroscopes that could reach the same performances of the capacitive devices with less energy consumption by exploiting the piezoelectric effect. The Piezoelectric Effect is the ability of certain materials to generate an electric charge in response to an applied mechanical stress (Direct Piezoelectric Effect), or to generate a strain when an electric field is applied (Inverse Piezoelectric Effect). The main challenge for the MEMS designers is to design a yaw rate gyroscope exploiting the Piezoelectric effect. In fact, because of the limitations of the micromachining process, it is difficult to have both the Drive and the Sense movements in the xy-plane. The proposed device, with its new design, becomes a solution to this issue: a particular shape of the upper electrodes on the Drive beams and a trapezoidal shape of the Sense beam allow the Drive displacement along the x-axis, and a sensing motion along the y-axis. Furthermore, the structure of the Sense beam, with the presence of three different sensing Piezo bars, allows the measurement of the apparent Coriolis force along the z-axis. The studied device is, then, a biaxial gyroscope that can measure both the z- and y- external angular rates. Finally, inserting four of these devices around a central anchor point in a ‘star configuration’, it is possible to create a totally piezoelectric triaxial gyroscope and to improve the overall sensitivity. Several FEM simulations are carried out to study the working principle of a first biaxial gyroscope. The results prove the working principle of this device, even if the performances are not at the same level of the capacitive devices. For this reason, a new design, with a greater Drive action, is proposed. This new design has performances similar to the capacitive micro-gyroscopes, but because of the coupling between the Drive and the Sense, further studies on the structure are suggested. This thesis is the first step in the research of the Piezoelectric MEMS, which will represent an important percentage of the market.

L’oggetto di questa tesi è un nuovo tipo di micro-giroscopio che utilizza film sottili piezoelettrici come materiali per l’attuazione o Drive (Titanato Zirconato di Piombo) e per il rilevamento o il Sense (Nitruro di Alluminio). Tra i vari MicroElectroMechanical Systems (MEMS) disponibili sul mercato troviamo i micro-giroscopi. Questi dispositivi, grazie alla loro capacità di misurare la velocità angolare, mediante la percezione della forza apparente di Coriolis, possono essere utilizzati in diversi settori, come per esempio nei sistemi di navigazione. Al giorno d'oggi, i micro-giroscopi capacitivi dominano il mercato. Uno degli svantaggi di questi dispositivi è l’elevato consumo energetico. Quindi, l'obiettivo della tesi è indagare le potenzialità dei micro-giroscopi piezoelettrici, che potrebbero raggiungere le stesse prestazioni dei dispositivi capacitivi con minor consumo di energia, grazie all'effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico è la capacità di alcuni materiali di polarizzarsi generando una differenza di potenziale in risposta ad una deformazione meccanica (effetto piezoelettrico diretto), o di deformarsi in maniera elastica quando sono attraversati da corrente (effetto piezoelettrico inverso). La sfida principale per i progettisti MEMS è quello di progettare un giroscopio ad imbardata (yaw rate gyroscope) sfruttando l'effetto piezoelettrico. Infatti, a causa delle limitazioni del processo di microfabbricazione, è difficile avere sia l’attuazione (Drive) che il rilevamento (Sense) nel piano xy. Il dispositivo proposto, con il suo design innovativo, diventa una soluzione a questo problema: una particolare sagomatura degli elettrodi superiori sulle travi di attuazione e una forma trapezoidale della trave di rilevamento consentono l’attuazione lungo l'asse x, e il rilevamento lungo l'asse y. Inoltre, la struttura della trave di Sense, con la presenza di tre diversi strisce di materiale piezoelettrico, permette la misura della forza apparente di Coriolis lungo l'asse z. Il dispositivo studiato è, quindi, un giroscopio biassiale in grado di misurare le velocità angolari esterne lungo gli assi y e z. Infine, mettendo quattro di questi dispositivi intorno a un punto di ancoraggio centrale in un ‘configurazione a stella’, è possibile creare un giroscopio triassiale totalmente piezoelettrico e, ovviamente, migliorare la prestazione globale. Diverse simulazioni FEM sono state effettuate per studiare il principio di funzionamento di un primo design per il giroscopio biassiale. I risultati dimostrano il principio di funzionamento di questo dispositivo, anche se le prestazioni non sono allo stesso livello dei dispositivi capacitivi. Per questo motivo, un nuovo design, con un miglior sistema di attuazione, viene proposto. Questo nuovo design ha prestazioni analoghe ai micro-giroscopi capacitivi, ma a causa dell'accoppiamento tra i modi di Drive e Sense, ulteriori studi sulla struttura sono suggeriti. Per concludere, questa tesi è il primo passo nella ricerca dei MEMS piezoelettrici, che in futuro rappresenterà una percentuale importante del mercato mondiale.