Micro electro-thermo-mechanical actuators for on-chip material characterization

MEMS are nowadays quite widespread and their applications in every-day life, has led to the creation of more and more reliable devices. In this study, micro electro-thermal actuators (ETA) have been investigated for material characterisation, including the so-called "chipping" phenomenon, a major cause of malfunctioning due to the fragmentation of the structural materials, as a consequence of accidental impacts. Initially, existing analytical models to understand ETA functioning have been applied, then numerical simulations, through the software Abaqus, have been carried out. In this phase, it has been essential to create a model that coupled the physical phenomena involved in the device functioning. The experimental phase, on the fabricated latest versions of electro-thermal-mechanical actuators for the characterization of polycrystalline silicon, has been the next step. It has begun with the search for possible manufacturing defects that could have influenced the correct functioning. For both devices, no problems of any kind have been encoun tered in this regard, allowing to pass to the maximum operating limits investigation; the relationship between temperature and electrical conductivity has been then investigated, evidencing the conditions corresponding to a deviation from the ohmic trend of the V-I curve. Subsequently, the analysis of the motion of the two devices has been carried out, obtaining opposite results: while for the old version (labelled ETA3) it is possible to perform the characterization procedure, for the most recent version (labelled ETA4) no significant displacement values have been reached. To explain the latter results, simulations have been carried out in order to determine the possible causes; through electro-mechanical simulations, a bending of the comb finger arms has been found, which resulted in an increase in the measured capacity without the shuttle actually moving.

Oggigiorno i MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sono diffusi in molteplici settori industriali, il che ha portato ad una loro produzione su larga scala. Questo ha decretato la necessità di conoscere e caratterizzare le proprietà dei materiali strutturali utilizzati nella loro realizzazione all’interno dei processi produttivi. Il lavoro effettuato in questa tesi è focalizzzato su una specifica classe di micro dispositivi, gli attuatori elettro-termo-meccanici, al fine di indagare le proprietà meccaniche del silicio policristallino, un materiale tradizionalmente impiegato nei MEMS. In particolare, sono stati considerati micro-attuatori elettro-termo-meccanici per la caratterizzazione del fenomeno di "chipping", una possibile causa di malfunzionamento dovuto alla frammentazione e alla sheggiatura da impatto, osservabili nei dispositivi portatili dell’elettronica di consumo per uso quotidiano (es. smarthphone, computer portatili, auticolari senza fili ecc.). Due dispositivi sono stati progettati e realizzati, basati sul medesimo sistema di attuazione ma differenti nel meccanismo di caratterizzazione; su di essi sono state effettuate, in primo luogo delle simulazioni multifisiche (usando il software coomerciale Abaqus), seguite da un iter sperimentale. La prima fase di lavoro è stata costituita dallo studio dell’ accoppiamento tra i diversi fenomeni fisici coinvolti, al fine di poter ottenere risultati simulati significativi. Successivamente si è passati alla fase sperimenatale, applicata su entrambi i dispositivi, e composta, in primo luogo, dalla verifica dell’effettiva mobilità del dispositivo, escludendo così ogni possibilità di malfunzionamento causato da difetti di fabbricazione. Successivamente, è stata condotta l’indagine dei limiti di funzionamento e della dipendenza delle proprietà del materaile dalla temperatura; è stato messo in luce che, a seguito di un aumento dei valori in ingresso, si è persa, nella versione più recente del dispositivo, la linearità nella relazione V-I, a causa di un aumento della resistività elettrica con la temperatura. Il passo successivo nella procedura sperimentale è stato lo studio della modibiltà di entrambi i moduli; mentre per il primo modulo, detto ETA3, è stata verificata la possibilità di procedere con la caratterizzazione del materiale, per la versione più recente, detta ETA4, non si è raggiunto il medesimo risultato, portando lo studio verso l’indagine delle cause di questo risultato inatteso. Sulla base delle ipotesi fatte, sono state effettuate delle simulazioni meccaniche per indagare i possibili effetti delle vibrazioni di risonanza sulla struttura, supportate dall’ analisi della frequency response function (FRF), da misure sperimentali della risposta in frequenza, senza esiti soddisfacenti. Sono state effettuate, quindi, delle simulazioni elettro-meccaniche per riprodurre un’interazione elettrostatica tra le facce dei condensatori, atti alla misura dello spostamento, ed è stata trovata una flessione dei rispettivi bracci, spiegando l’inatteso risultato. A seguito dello studio è stato possibile affermare che, a causa dell’elevata inclinazione delle travi del sistema di attuazione, la versione più recente del dispositvo, detta ETA4, non è in grado di compiere spostamenti orizzontali necessari per procedere con l’effettiva caratterizzazione del silicio policristallino, così come progettato. Al contrario, considerando la versione precedente (ETA3), è possibile effettuare la procedura di caratterizzazione senza ottenere risultati a riguardo senza tuttavia giungere alla rottura da impatto, in quanto, l’angolo delle travi è troppo piccolo per generare la forza richiesta per lo studio del fenomeno di "chipping".