Integration of micromagnets in MEMS

This thesis work was carried out at PoliFAB, the micro and nanotechnology center of the Politecnico di Milano, and deals with the optimization of a process to integrate rare earth permanent micromagnets with MEMS technology. The thesis is contextualized in the framework of the MetaVEH european project for energy harvesting i.e. scavenging energy from ambient vibrations. The aim of this project would be to reduce the use of chemical batteries. Moreover, this work will be important for the future project M&MEMS, whose aim is to use magnetic MEMS to generate modulable magnetic fields for magnonic applications. In fact, high-performing magnetic MEMS would also bring advantages in the fields of actuators and sensors, but their effective realization is still complex and presents several challenges, in terms of processes and costs. Hence, the development of a cheap and repeatable integration process to successfully integrate micromagnets in MEMS is fundamental for the purposes of the aforementioned projects. The first chapter deals with an analysis of the state of the art of permanent micromagnets and their integration with MEMS technology. The second chapter is focused on the microfabrication processes and machines that were used. In the third and fourth chapter, we exhibit, respectively, the optimization of the magnetic film and of a process to pattern, passivate micromagnets and integrate them with MEMS. Finally, the fifth chapter shows a first proof of concept, which demonstrates the feasibility of the aforementioned process.

Questo lavoro di tesi è stato svolto presso PoliFAB, il centro delle micro e nanotecnologie del Politecnico di Milano, e riguarda l’ottimizzazione di un processo per integrare micro- magneti permanenti, costituiti da leghe di terre rare, con la tecnologia MEMS. La tesi si svolge nel contesto del progetto europeo MetaVEH per energy harvesting, ovvero il recupero di energia dalle vibrazioni dell’ambiente. Lo scopo di questo progetto sarebbe di ridurre l’uso delle batterie chimiche. Inoltre, questo lavoro servirà per il progetto futuro M&MEMS, il cui obiettivo sarebbe di usare dispositivi ottenuti da integrazione di magneti permanenti con i MEMS per generare campi magnetici modulabili, in ottica di applicazioni magnoniche. L’impiego di MEMS magnetici performanti, infatti, sarebbe vantaggioso per applicazioni nel campo degli attuatori e dei sensori, ma la loro effettiva realizzazione è complessa e pone davanti a diverse sfide in termini di processo e di costi. Dunque, è fondamentale lo sviluppo di un processo di microfabbricazione per integrare micromagneti permamenti con i MEMS, che sia ripetibile e che non presenti costi eccessivi, al fine di implementare gli obiettivi dei progetti discussi precedentemente. Il primo capitolo si incentra su una panoramica sullo stato dell’arte dei magneti permanenti e la loro integrazione con la tecnologia MEMS. Il secondo, è invece focalizzato sui processi di microfabbricazione e sulle macchine che sono state utilizzate. Il terzo e il quarto vertono sull’ottimizzazione dei film magnetici e di un processo per patternare, passivare e integrare i micromagneti con i MEMS. In conclusione, il quinto capitolo mostra una prima proof of concept che riscontra la fattibilità delle suddette ottimizzazioni.