Experimental characterization of piezoelectric micromachined ultrasound transducer - PMUT

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) are a silicon-based technology that throughout the years paved its way into many spheres of our lives. Starting from the automotive, consumer and biomedical industry, up to application in satellites, the presence of these smart micro-devices nowadays is inevitable. This thesis work was conducted as result of a collaboration between the Department of Civil and Environmental Engineering of Politecnico di Milano and STMicroelectronics, both leaders in their field of expertise. The activity that has been carried out was focused on the experimental characterization of Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer (PMUT), a MEMS based transducer whose operation exploits the piezoelectric effect. The experimental activity included three types of samples, which differed according to the thermo-electrical treatment that has been applied to the piezoelectric material. Hence, the devices have been analyzed as pristine, which have not undergone any treatment, activated and poled, which have been treated at temperatures of 20ºC and 150ºC, respectively. The experimental tests were conducted in order to evaluate their impact on the overall performance of the device. The campaign of measurements that were developed in the early stage and carried out during the activity included: static and dynamic analysis, both in the linear and nonlinear regime of operation of PMUT. As a result of the fabrication induced residual stresses, the samples are characterized with an initial static displacement. It has been evaluated that its value has decreased after the two treatments have been conducted. This behavior is more enhanced after the process of poling, which brought the systems to an almost flat initial configuration. The static tests show that the application of a DC voltage bias influences the stiffness of the system. Initially, its value decreases until a certain threshold is reached. Overcoming the latter, causes an opposite phenomenon, an increase of the membranes’ stiffness. The DC voltage bias associated with such a threshold decreases after the treatments of activation and poling. This phenomenon has been confirmed with the measurements performed in small signal configuration, during which the resonance frequency of the membranes was evaluated as a function of the applied DC voltage bias. The characterization campaign that has been conducted in the nonlinear regime shows the presence of nonlinear softening and hardening phenomena in the frequency response curves of the system. Considering the pristine and activated membranes a transition between these two types of nonlinear behavior has been evaluated. The applied DC voltage bias related to the transition is lower after the thermo-electrical treatment of activation. As far as poled membranes are concerned, the only nonlinearity that has been evaluated corresponds to hardening. The results collected and discussed in this thesis represent an experimental investigation beneficial to the design and development of new PMUT structures with advanced functionalities.

I Micro-Sistemi-Elettro-Meccanici (acronimo inglese MEMS) rappresentano una tecnologia costituita da silicio che nel corso degli anni è stata impiegata in molte applicazioni utilizzate quotidianamente. A partire dall'industria automobilistica, dei beni di consumo e biomedica, fino all'utilizzo nei satelliti, la presenza di questi micro-dispositivi intelligenti, al giorno d'oggi, è inevitabile. Questo lavoro di tesi è stato condotto all’interno di una collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano e l’azienda STMicroelectronics, entrambi leader nel loro campo di competenza. L'attività svolta è stata focalizzata sulla caratterizzazione sperimentale di Micro Trasduttori Ultrasonici Piezoelettrici, dall’acronimo inglese noti come PMUTs, basati sulla tecnologia MEMS, il cui funzionamento sfrutta l'effetto piezoelettrico. L’attività sperimentale ha coinvolto tre tipologie di campioni, differenti per trattamento termo-elettrico a cui il materiale piezoelettrico è stato sottoposto. Dunque, sono stati analizzati dispositivi vergini, non sottoposti a trattamento, attivati e polati, rispettivamente sottoposti a trattamento alle temperature di 20 gradi e 150 gradi. I test sperimentali sono stati condotti con l'obiettivo di valutare l’effetto del trattamento termo-elettrico sulle prestazioni complessive del dispositivo. La campagna di misure svolta durante l'attività comprende misure statiche e dinamiche, sia nel regime operativo lineare che nel regime operativo non lineare. A causa degli sforzi residui dovuti alla fabbricazione, i campioni sono caratterizzati da una deformazione statica iniziale. Si è osservato che il suo valore diminuisce dopo aver condotto i due trattamenti. Questo comportamento è stato ulteriormente migliorato dopo il processo di poling, che ha portato i sistemi a una configurazione iniziale quasi piatta. I test statici hanno dimostrato che l'applicazione di una tensione DC influenza la rigidezza del sistema. Inizialmente il suo valore diminuisce fino al raggiungimento di un certo valore soglia. Il superamento di quest'ultimo, causa un fenomeno opposto: un aumento della rigidezza delle membrane. La tensione di soglia in corrispondenza di questo fenomeno diminuisce dopo l'applicazione dei processi di attivazione e di poling. Questi comportamenti sono stati confermati con le misure eseguite in regime linerare, durante le quali è stata valutata la frequenza di risonanza delle membrane in funzione della tensione DC applicata. La caratterizzazione che è stata condotta nel regime non lineare ha mostrato la presenza di fenomeni di hardening e softening non lineari nelle caratterizzanti le curve di risposta in frequenza del sistema. Nelle membrane vergini e attivate è stata valutata una transizione tra questi due tipi di comportamento non lineare. La tensione soglia DC associata alla transizione risulta inferiore a seguito del trattamento termo-elettrico. Per quanto riguarda le membrane polate, le curve di risposta in frequenza in regime non lineare risultano caratterizzate da un fenomeno di hardening. I risultati discussi e collezionati in questa tesi rappresentano un’indagine sperimentale utile nella progettazione e nello sviluppo di nuove strutture PMUT con funzionalità avanzate.