Design of a large-displacement MEMS electrostatic actuator for micro-FT-spectrometers

Nowadays, infrared imaging is extensively used in industrial and medical applications. Several examples are thermography, night-vision, body temperature sensing for medical uses and many others. Additionally, a lot of molecules absorb infrared wavelengths, which makes the detection of lots of chemical compounds possible by making use of their absorption spectrum. This has its applications in medical diagnosis and food quality control, for example. In order to measure the spectrum of an infrared source, a Michelson interferometer could be used. In this apparatus, the light interferes with a delayed version of itself generating an interference pattern. The delayed version is obtained introducing a delay, by means of a movable mirror, which generates displacements of hundreds of micrometers with an accuracy of tens of nanometers. From the obtained interferogram, the spectrum can then be calculated performing a Fourier Transform. In order to generate these small displacements with high accuracy, a MEMS-based solution seems very attractive compared to existing bulky systems. In this context, the main purpose of this work is to design a very compact actuator, to displace the movable mirror of the Michelson interferometer, in a commercially available MEMS technology. The driving voltage for the actuator will be provided by a digitally programmable high-voltage generator, with maximum available voltage equal to 100V. The MEMS process that will be used is the MUMP process (Multi-User MEMS Process) offered by MEMSCAP. The chosen technology is the SOIMUMP one, a simple 4-mask level SOI patterning and etching process. Based on a literature study, a specific embodiment of such a MEMS actuator will be chosen, taking into account the specifications of the above-mentioned interferometer. Then, the complete design of the actuator will be carried out in the MUMPs technology, with final perspectives on system completion.

Al giorno d'oggi, le immagini all'infrarosso sono largamente utilizzate sia in ambito industriale, che in ambito medico. Esistono infatti numerose applicazioni che fanno uso della termografia, la quale permette per esempio la visione-notturna per mezzo di una termo-camera, presente in diverse apparecchiature. In ambito medico la termografia viene utilizzata, ad esempio, per valutare la temperatura corporea, permettendo la diagnosi di alcuni tumori tramite l'utilizzo di radiazioni infrarosse. Inoltre, molte molecole hanno picchi di assorbimento nel range dell'infrarosso. Questo permette di rilevare la presenza di numerosi composti chimici, utilizzando il loro spettro di assorbimento. Anche in questo caso, esistono applicazioni in ambito medico-diagnostico e industriale. Lo spettro di una sorgente infrarossa puo' essere misurato utilizzando un interferometro di Michelson. In questo setup, la sovrapposizione tra la luce entrante, e una versione ritardata della stessa, genera un pattern di interferenza. La versione ritardata della radiazione luminosa e' ottenuta utilizzando uno specchio mobile, che genera spostamenti di centinaia di micrometri, con un'accuratezza di una decine di nanometri. A partire dall'interferogramma di uscita, viene infine calcolato lo spettro della sorgente applicando una Trasformata di Fourier. Al fine di generare questi piccoli spostamenti con elevata accuratezza, una soluzione a MEMS appare molto conveniente. Essa consente di fabbricare un micro-interferometero, un sistema miniaturizzato e molto compatto se comparato agli esistenti sistemi aventi grosse dimensioni. In questo contesto, questa tesi ha come scopo principale quello di progettare un attuatore di dimensioni molto compatte, in tecnologia MEMS. Per il pilotaggio dell'attuatore viene utilizzato un generatore ad alto voltaggio, programmabile digitalmente, in grado di fornire un massimo di 100V. Il processo MEMS utilizzato per la fabbricazione e' il processo MUMP (Multi-User MEMS Process), offerto da MEMSCAP. La tecnologia utilizzata e' la SOIMUMP, che consiste in un processo di patterning ed etching su SOI a 4-maschere. A partire da uno studio dell'esistente letteratura relativa al suddetto contesto, viene scelta una specifica implementazione per l'attuatore MEMS, tenendo in considerazione le specifiche di progetto del suddetto micro-interferometro. Infine, si procede nel design completo dell'attuatore in tecnologia MUMPs, mantenendo una visione complessiva di quello che sara' il sistema finale.