Perdita di planarità nei microspecchi : risposta strutturale e ottimizzazione geometrica

Questo elaborato di tesi è a supporto di uno studio condotto dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano sullo sviluppo dei microsistemi (MEMS). Il gruppo lavora sui temi della progettazione, della modellazione, della caratterizzazione, dell'utilizzo e della fabbricazione tridimensionale di micro e nano-sistemi elettro-meccanici (MEMS e NEMS). I microsistemi sono dei sistemi complessi in forma miniaturizzata la cui progettazione e il cui funzionamento interessano e coinvolgono svariati settori tra cui l’elettronica, l’ottica, la meccanica e la chimica. I MEMS trovano applicazione nei mercati del monitoraggio strutturale, della biologia, della medicina e della meccanica industriale, e si affacciano alle nuove frontiere dell’elettronica flessibile. Nello specifico, in questa tesi, viene analizzato un particolare tipo di MEMS per applicazioni ottiche: il microspecchio. L’azienda STMicroelectronics, con la quale si è collaborato, fornisce tale dispositivo integrato ad un sistema di micro-ottica progettato per il rilevamento e la manipolazione di segnali ottici su piccola scala, ad esempio per la proiezione di immagini. L’apparecchio è formato da una piastra, che costituisce la parte riflettente della microstruttura, collegata attraverso due molle torsionali ad un sistema di supporto. Il microspecchio oscilla attorno al proprio asse di rotazione che coincide con l’asse longitudinale delle molle. Durante l’oscillazione, la piastra si deforma e, come conseguenza, si verifica una perdita di planarità che causa una diminuzione della risoluzione dell’immagine, e quindi una ridotta prestazione ottica del microdispositivo. L’obiettivo di questa tesi è quello di ottimizzare la geometria del microspecchio al fine di ridurre la deformazione della piastra. Utilizzando un codice di ottimizzazione è stato possibile confrontare i risultati di due possibili configurazioni geometriche del sistema. La prima proposta prevede l’aggiunta di un rinforzo inferiore sotto alla piastra di microspecchio: a fronte di una geometria iniziale definita per il rinforzo, il software consente di ricavare quella che minimizza la deformazione subita dalla piastra. La seconda soluzione studiata prevede invece l’inserimento di una struttura di sostegno esterna che modifica il numero e la posizione dei punti di attacco piastra-molle torsionali. L’obiettivo di questa tesi è ottimizzare la geometria del microspecchio al fine di ridurre la deformazione della piastra. Utilizzando un codice di ottimizzazione geometria per risolvere tale problema, sono state considerate due possibili soluzioni. La prima prevede l’aggiunta di un rinforzo inferiore sotto alla piastra di microspecchio: sono state prese in considerazione diverse geometrie e per ognuna è stata calcolata la deformazione subita dalla piastra. Si è ottenuto che la miglior geometria del rinforzo inferiore e quella a “pavesino”. La seconda soluzione studiata prevede l’inserimento di una struttura di sostegno esterna che modifica il numero e la posizione dei punti di attacco piastra-molle torsionali. In questo caso la configurazione che minimizza la deformazione è formata da due attacchi posti su una retta ortogonale all’asse di rotazione. In conclusione, sono stati confrontati i risultati delle due soluzioni studiate, e si è ottenuto che la prima risulta essere quella che minimizza maggiormente la deformazione.