Additive manufactured piezopolymer-based inertial sensor

Nowadays additive manufacturing technologies are replacing the conventional subtractive based ones due to being more environmentally friendly, cost and time effective as result of donating the freedom to engineers to come up with optimal designs significantly reducing the materials consumption and the steps required in conventional processes to assemble different parts. Moreover, the dream of on-demand manufacturing is coming into reality by the recent developments in AM technologies. However, it has still remained a long pass for AM to be used also in micro-fabrication world due to the restrictions mainly caused by the minimum feature size achievable, the employed material diversity as well as the microstructure and the surface quality of the printed parts. In case of micro-functional device fabri- cation, it is faced with further limitations due to the fact that 3D printing technologies of functional materials, whereby the interaction with environment is achieved, have not been well developed so far. In this project, the main goal is, at least from curiosity point of view, to introduce the AM technologies as possible fabrication ones in MEMS world which is now completely relied on silicon-based micro- electronic industry where manufacturing of 3D structures is of difficulties and the designs should be restricted to planar ones. To this end, proper designs for Z-axis and three-axis piezoelectric accelerometers as functional devices are introduced enabling us to combine stereolithography and inkjet printing to fabricate such devices. In fact steriolithography is used to print the designed prototypes to which functional layers of conduc- tive electrodes along with a piezoelectric polymer are added by inkjet printing. Before going to final device, an experimental procedure is defined to verify the reliability of fabrication process by printing some preliminary samples with stereolithography on which all the functional layers are added. In addition the materials and processes compatibility especially in post processing steps like annealing and polling are verified. Finally some suggestions for the future activities based on the experiences gained in this project are provided.

Al giorno d'oggi le tecnologie di produzione additiva (Additive Manufacturing, AM) stanno sostituendo quelle convenzionali basate sulla sottrazione perché sono più rispettose dell'ambiente, economicamente vantaggiose e più efficienti in termini di tempo, grazie alla libertà che hanno i progettisti di elaborare progetti ottimali riducendo significativamente il consumo di materiali e le fasi richieste nei processi convenzionali per l'assemblaggio delle differenti parti. Inoltre, la produzione su richiesta sta diventando realtà grazie ai recenti sviluppi nelle tecnologie AM. Tuttavia, è ancora molto difficile utilizzare tecniche di AM nel mondo della micro-fabbricazione a causa delle restrizioni causate principalmente dalla dimensione minima delle caratteristiche ottenibili, dalla diversità dei materiali impiegati, nonché dalla microstruttura e dalla qualità della superficie delle parti stampate. Nel caso della fabbricazione di dispositivi che utilizzano materiali funzionalizzati, si devono affrontare ulteriori limitazioni dovute al fatto che le tecnologie di stampa 3D di tali materiali non sono state finora ben sviluppate. In questo progetto di tesi, l'obiettivo principale è contribuire all’introduzione delle tecnologie AM nel mondo dei MEMS che ora è completamente affidato all'industria microelettronica basata principalmente sul silicio dove la produzione di strutture 3D è molto difficile ed i progetti dovrebbero essere limitati a quelli planari. A tal fine, vengono progettati accelerometri piezoelettrici uni-assiali e tri-assiali come dispositivi funzionali che consentono di combinare la stereolitografia e la stampa a getto d'inchiostro per la loro fabbricazione. Il processo di stampa stereolitografico viene utilizzato per stampare i prototipi progettati a cui vengono aggiunti strati funzionali di elettrodi conduttivi insieme a un polimero piezoelettrico mediante stampa a getto d'inchiostro. Prima di passare al dispositivo finale, viene definita una procedura sperimentale per verificare l'affidabilità del processo di fabbricazione mediante la stampa di alcuni campioni preliminari con stereolitografia su cui vengono aggiunti tutti gli strati funzionali. Inoltre viene verificata la compatibilità dei materiali e dei processi soprattutto nelle fasi di post-elaborazione come la ricottura e il poling. Infine vengono forniti alcuni suggerimenti per le attività future sulla base delle esperienze acquisite.