Nonlinear dynamics phenomena in MEMS

Microelectro Mechanical Systems (MEMS) technology has revolutionized many industrial and consumer products by combining silicon-based microelectronics with micromachining process. Recent trends in the Internet of Thing (IoT) require more and more high performance sensors. The scaling of MEMS dimensions requires on the other hand to increase drastically sensitivity that is most of the time proportional to the amplitude of device motion. Consequently the dynamical response easily exploits nonlinearities even long before the material linear behavior fails. The understanding of typical nonlinear dynamics phenomena in commercial MEMS devices is then fundamental in order to avoid them when they are the main reason for device failure or to exploit them when they can increase drastically device's performance. The objective of the dissertation is to investigate different nonlinear dynamics phenomena observable in commercial MEMS devices. First, we consider an electrostatically actuated torsional micromirror whose dynamics is governed by parametric resonance, and in which modal coupling induces unexpected temperature dependent frequency jumps. Then, we investigate the effects of contact in MEMS oscillators. Here period doubling bifurcations generates many periodic dynamic responses, characterized by different impacts per cycle ratios and a spectrum with a rich collection of tones similar to optical frequency combs. Finally, we propose a general FEM based numerical technique to estimate geometrical nonlinearities in MEMS.

La tecnologia dei Microelectro Mechanical Systems (MEMS) ha rivoluzionato molti prodotti industriali e di consumo grazie alla combinazione di microelettronica a base di silicio con processi di micro-fabbricazione. Le recenti tendenze nell'Internet of Things (IoT) richiedono sempre più sensori ad alte prestazioni. La riduzione delle dimensioni dei dispositivi MEMS richiede d'altro canto un drastico incremento della sensibilità che è la maggior parte delle volte direttamente proporzionale all'ampiezza di oscillazione del sensore. Conseguentemente la risposta dinamica mostra facilmente non linearità ben prima della perdita di linearità del materiale. Comprendere i principali fenomeni di dinamica non lineare osservabili nei dispositivi MEMS in commercio risulta essere fondamentale al fine di evitarli quando sono la principale causa di fallimento o di ricercarli quando possono incrementare drasticamente le prestazioni del dispositivo. L'obiettivo della presente dissertazione è di investigare differenti fenomeni di dinamica non lineare osservabili in dispositivi MEMS commerciali. Per primo, abbiamo considerato un Micromirror torsionale attuato elettrostaticamente la cui dinamica è governata da risonanza parametrica, e in cui l'accoppiamento modale induce inaspettati salti di frequenza dipendenti dalla temperatura. In seguito, abbiamo analizzato l'effetto del contatto all'interno di oscillatori MEMS. Qui biforcazioni di Period Doubling generano molteplici risposte dinamiche periodiche, caratterizzate da differenti impatti per ciclo e da un spettro di frequenze con una ricca collezione di toni molto simile ai frequency comb ottici. Infine, viene proposto un metodo numerico basato su Elementi Finiti capace di stimare per una generica struttura MEMS le non linearità geometriche.