Micromirrors : study of the dissipation in viscous medium

MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) micromirrors are devices widely used in the current technology trend. Its silicon-based material makes them a perfect candidate to be exploited in different fields such as displays, optical switching, video projectors, etc. These devices present great advantages such as its low cost, its lightweight and a low power consumption, being even able of energy harvesting. The non-linear phenomena poses an added difficulty; given the small size and the required sensibility of these device, these effects can be dominant in the mechanical response. Thus, the study of this phenomena becomes essential so as to be able to allow a more ambitious design goals, optimize its performance and reduce the risk of failure. The scope of this master thesis is: To evaluate the energy dissipation process that occurs during the motion of these devices due to the interaction with the surrounding viscous fluid (air). In order to achieve that goal, the present method which is based on the PFEM (Particle Finite Element Method) under a Lagrangian framework is used, given that the mesh can get drastically distorted throughout the computational fluid-dynamics (CFD) simulations, the method strongly relies on the remeshing of the domain and the smoothing techniques. A new way of the meshing and remeshing technique is implemented, the so-called Constrained Delaunay Tetrahedralization in order to loyally represent the boundary layers of the domain. Up to two different micromirrors are studied and compared with experimental results.

I MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) micromirros sono dei dispositivi ampiamente usati in ambito tecnologico. Essi sono realizzati con un materiale a base di silicio, il chè li rende dei candidati perfetti per l'applicazione in campi come, ad esempio: display, optical switching e video projectors. Questi dispositivi presentano incredibili vantaggi come un costo economico, un peso basso ed un consumo energetico ridotto, essendo capaci di accumulare energia. Tuttavia essi presentano il fenomeno della "non linearità", il quale si rivela una difficoltà aggiuntiva; tale fenomeno diviene domaninate nella risposta meccanica dei MEMS, a causa della loro dimensione e sensibilità richiesta. Perciò, lo studio della "non linearità" diviene essenziale per poter creare dispositivi condesign più ambizioso, con performance ottimale e per ridurre il rischio di fallimento. Lo scopo di questa tesi è: valutare il processo di dissipazione energetica che avviene durante il movimento di questi dispositivi a causa dell' interazione con il fluido viscoso circostante, nonchè l'aria. Per raggiungere tale obbietivo, il metodo utilizzato è basato sul PFEM (Particle Finite Element Method) con uno schema Langrangiano, poichè la mesh può deformarsi eccesivamente durante la simulazione computazionale fluido-dinamica (CFD). Questo metodo dipende fortemente dalla tecnica di remeshing e dallo smoothing. Una nuova tecnica di meshing e remeshing è implementata, la cosidetta Constrained Delaunay Tetrahedralization in modo da rappresentare fedelemente le superfici che compongono il dominio. Due diversi micromirrors sono stati studiati e confrontati con dati sperimentali.