Studio di metapiastra per attenuazione di vibrazioni in microsistemi

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) are attracting increasing interest because of their large number of applications and thanks to their miniaturization and low cost. It is then of fundamental importance to optimize their functioning to improve their performances. Vibration isolation of such systems is for example one of the numerous fields that are attracting the interest of the scientific community in these days. A lot of MEMS are in fact made by mechanical component kept in resonance (e.g. gyroscopes, resonators) and external vibrations at certain frequencies can worsen and even compromise their right functioning. In the thesis, an innovative solution to this issue is proposed: the design of two "metaplates" made by a periodic repetition of 4X4 unit cells to be interposed between the resonant structure of the MEMS and the underlying substrate is presented. The proposed “metaplates” exploit the bandgap properties of periodic structures, the existence of frequency ranges where the propagation of elastic waves is prohibited, to isolate the MEMS device from external vibrations. They are designed such as to fulfill all the constraints of a commercial MEMS fabrication process and are for this reason fully integrable in the MEMS package. The functioning of the proposed “metastructures” is validated through different numerical analyses, e.g. transmission, dispersion and time domain analyses. The vibration isolation efficiency of the proposed solution is then verified also in the presence of resonant structures that simulate the real MEMS devices. The obtained results are promising, in particular, the first proposed solution is able to isolate devices working at frequencies around 500 KHz (e.g. resonators for clocks applications), while the second one is more suitable for devices whose resonant frequencies are around 25 KHz (e.g. gyroscopes).

I Micro-sistemi Elettro-meccanici (MEMS) trovano sempre più applicazioni nella nostra vita grazie alla loro miniaturizzazione e al basso costo. Diventa pertanto di fondamentale importanza ottimizzare il loro funzionamento al fine di migliorarne le prestazioni. L’isolamento di tali sistemi da vibrazioni esterne che potrebbero comprometterne il funzionamento è un esempio dei numerosi temi su cui si sta svolgendo un’intensa attività di ricerca. Molti MEMS (es. giroscopi, risonatori) sono infatti costituiti da parti meccaniche mantenute in movimento alla loro frequenza di risonanza e un’eventuale vibrazione esterna potrebbe comprometterne il funzionamento. Il presente lavoro di tesi presenta un’innovativa soluzione a tale problema: sono state progettate due "metapiastre" costituite da una ripetizione periodica di 4X4 celle unitarie da interporre tra la struttura risonante del MEMS e il substrato di silicio. Le "metapiastre" proposte sfruttano le proprietà di apertura di bandgap, ovvero intervalli di frequenze in cui la trasmissione di onde elastiche è proibita, per isolare il dispositivo MEMS dalle vibrazioni esterne. Esse sono state progettate rispettando tutti i vincoli di fabbricazione di un processo di fabbricazione MEMS industriale e sono pertanto perfettamente integrabili all’interno dell’involucro contenente il MEMS. Il funzionamento delle geometrie progettate è stato dimostrato tramite opportune analisi numeriche, ovvero analisi di trasmissione, di dispersione e nel dominio del tempo. È stato anche studiato l’effetto di mitigazione delle vibrazioni delle “metapiastre” in presenza di dispositivi risonanti in modo da simulare il reale funzionamento delle stesse all’interno dell’involucro contenente il MEMS. I risultati ottenuti sono promettenti, in particolare si è mostrato che la prima soluzione può essere utilizzata per isolamento da vibrazioni di dispositivi che lavorano a frequenze intorno ai 500 KHz (es. risonatori), mentre la seconda per dispositivi oscillanti a frequenze attorno ai 25 KHz (es. giroscopi).