Modellazione e simulazione di processi di delaminazione e fatica in film metallici sottili

This work is part of a research project carried out in collaboration with the company STMicrolelectronics, one of the main producers of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). The final aim of this research is the mechanical characterization of some thin films, through the use of piezoelectric actuators and sensors, which will be used for the realization of micromirrors, fundamental for the operation of videoprojectors and optical devices, for instance, for facial recognition. For this purpose, the micromirror design group of STMicroelectronics has developed a micro-test structure to conduct delamination and fatigue tests on some specimens that will be electrodeposed on it. The peculiarity of the test structure is that it will be moved through piezoelectric actuators, and the information regarding the mechanical characterization of the specimens will be extracted directly from the voltage that will be read by the piezoelectric sensors post on it. The aim of the work is to understand, through the realization of a finite element model, if the test structure allows one to extract useful information for the purpose for which it was created and, comparing in the future the results obtained from the numerical analysis with the experimental ones, extrapolate the mechanical parameters of the materials. The results obtained show, on the part of the numerical analyses, that the test structure is theoretically suitable for obtaining the information of interest. However, it has been found that, for certain types of specimens, the sensitivity of piezoelectric sensors may not be sufficiently high for the purposes of the experimental testing.

Il presente elaborato si inserisce all'interno di un lavoro di ricerca svolto in collaborazione con la società STMicrolelectronics, uno dei principali produttori di MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Il fine ultimo di tale ricerca è la caratterizzazione meccanica di alcuni film sottili, mediante l'utilizzo di attuatori e sensori piezoelettrici, che verranno utilizzati per la realizzazione di microspecchi, fondamentali per il funzionamento di videoproiettori e dispositivi ottici utili, ad esempio, per il riconoscimento facciale. A questo scopo il gruppo di progettazione microspecchi di STMicroelectronics ha messo a punto una micro-struttura di prova per condurre prove di delaminazione e fatica su alcuni provini che verranno elettrodeposti su di essa. La peculiarità è che la struttura di prova viene movimentata attraverso degli attuatori piezoelettrici, e le informazioni riguardanti la caratterizzazione meccanica dei provini si vogliono estrarre direttamente dal voltaggio che verrà letto dai sensori piezoelettrici posti su di essa. Lo scopo del lavoro è quello di capire, attraverso la realizzazione di un modello ad elementi finiti, se la struttura di prova permette di cogliere informazioni utili per lo scopo per la quale è stata creata e, confrontando in futuro i risultati ottenuti dalle analisi numeriche con quelli sperimentali, estrapolare i parametri meccanici dei materiali impiegati. I risultati ottenuti mostrano, da parte delle analisi numeriche, che la struttura di prova è teoricamente adatta per ricavare le informazioni di interesse. Tuttavia si è riscontra che, per alcuni tipi di provini, la sensibilità dei sensori piezoelettrici potrebbe essere non sufficientemente elevata ai fini delle prove sperimentali.