Chipping e wearing nei microsistemi : introduzione all'argomento e predisposizione di setup sperimentali

The stability of the performances of the inertial MEMS sensors during the life cycle is fundamental to different applications. Until now many researches have focused on the stability in temperature, in presence of vibrations or aging. However, there are some phenomena that are quite unknown and up to now never investigated, which can undermine the stability of an inertial sensor, suddenly changing the performances due to single events. These are events that, because of chipping or wearing, can bring silicon particles in the order of μm to detach from the suspended mass which constitutes the inertial sensor, or from an anchor point or a stopper adjacent to it. These particles, moving inside the package or remaining attached to certain points, can either modify the value of capacitances belonging to the inertial sensor, or constrain the movement of the sensor itself. This thesis aims to make a model of those phenomena and study adequate test structures to investigate them. In the initial part, this thesis takes on a simplified theoretical analysis, with the goal of finding the impact energy necessary to generate those particles during a shock event. Later it describes the operating principle of structures that aim to emulate those events in a controlled way, lastly it describes the electronics and the experimental setup developed to characterize the structures themselves, with preliminary measurements to validate the electronics.

La stabilità delle prestazioni dei sensori MEMS inerziali durante il ciclo di vita è fondamentale per diverse applicazioni. Molte ricerche si sono sin qui concentrate sulla stabilità in temperatura, in presenza di vibrazioni o di aging. Esistono tuttavia fenomeni poco noti e sinora del tutto inesplorati, che possono minare la stabilità di un sensore inerziale variandone improvvisamente le prestazioni a seguito di eventi singoli. Essi sono eventi che, per scheggiatura (chipping) o frizione (wearing) possono portare delle particelle di silicio di dimensioni dell’ordine del μm a staccarsi dalla massa sospesa che forma il sensore inerziale, oppure da un ancoraggio o uno stopper adiacente ad essa. Tali particelle, muovendosi poi all’interno del package o rimanendo adese in determinati punti, possono da un lato modificare il valore di una delle capacità costitutive del sensore inerziale, oppure dall’altro andare a vincolare il movimento del sensore stesso. Questa tesi si propone di modellizzare tali fenomeni e studiare opportune strutture di test per investigarli. A tale proposito, essa affronta dapprima una analisi teorica semplificata mirata ad individuare l’energia di impatto necessaria alla generazione di tali particelle durante un evento di shock. Successivamente descrive il principio di funzionamento di strutture che mirano ad emulare tali eventi in maniera controllata, e in ultima analisi descrive l’elettronica ed il setup sperimentale sviluppati per caratterizzare le strutture stesse, con misure preliminari di validazione dell’elettronica stessa.