Modelling, simulation and design of an electro-thermal microactuator for on-chip dynamic testing

Chipping due to impact loads is a possible cause of malfunctions in micrometric devices, and in particular in MEMS. Since it does not only cause structural damages, but the debris produced can also interfere with delicate working mechanisms of the device, hindering the movement of movable parts and or causing short circuits. For these reasons, a proper characterization of the chipping phenomenon is fundamental to design more reliable devices. The study of the problem has recently focused on the on-chip testing of the parts which are believed to be more critically subjected to fracture and fragmentations phenomena, like "bumps", which are typical MEMS elements with the task to limit impacts between moving parts and possible stiction problems. To do so, is necessary to design new on-chip testing devices able to reproduce the impact in a completely controlled way, and successively evaluate the parameters which are critical for the initiation of the phenomenon, like stresses, displacements and impact energy, with the final purpose to obtain a design rule able to limit the problem. In this work, the design process for a new characterization device based on the use of electro-thermo-mechanical actuators, is presented. The behavior of device has been analyzed both from an analytical point of view, creating a predictive model starting from literature, and from a numerical point of view, with numerical simulations carried out by using a commercial finite element code. In conclusion both results have been compared to give an evaluation of the performances of the device.

I fenomeni di chipping dovuti a impatti accidentali sono una causa molto comune di malfunzionamenti nei dispositivi microscopici, e in particolare nei MEMS. Difatti non causa solo problemi strutturali, ma anche i frammenti staccatosi possono interferire con le parti mobili del dispositivo, o causare cortocircuiti. Per queste ragioni, una caratterizzazione del fenomeno è fondamentale per poter progettare dispositivi affidabili. Lo studio del problema si è recentemente concentrato sui test on-chip delle parti più a rischio,come i bump, elementi caratteristici dei MEMS, con la funzione di limitare gli impatti tra le parti mobili. Per fare ciò è necessario progettare nuovi dispositivi in grado di riprodurre in maniera controllata questi impatti e valutare quale siano i valori critici di parametri come gli stress, gli spostamenti e l'energia di impatto, per garantire poi delle regole di progettazione in grado di limitare il fenomeno. Questo lavoro segue il processo di progettazione di un nuovo dispositivo di testing basato sull'uso di attuatori termo-elettrici. Il funzionamento del quale è stato analizzato sia dal punto di vista analitico che numerico, usando rispettivamente i dati provenienti da articoli precedenti e simulazioni ad elementi finiti. In conclusione i risultati sono stati confrontati per fornire una valutazione effettiva delle capacità del dispositivo.