Comprehensive characterization and modeling of piezoelectric and piezoresisitive sensing in resonant MEMS micromirrors

In the past few decades, MEMS micromirrors have been subject to continuous development due to their widespread adoption in many different fields. The latest technologies, that have employed micromirrors in the role of laser scanners and picoprojectors, demand tight requirements over image resolution. In order to achieve good quality of the projected image, finely tuned control techniques are needed, that in turn require a complete description of the physics governing these devices. This latter requisite defines the framework of this thesis, which is thus intended to propose a comprehensive characterization of a group of MEMS micromirrors, embedding both thin-film PZT and buried piezoresistive elements, which represent the leading technologies for microscanner actuation and sensing. Characterization of the devices focuses first on the formulation of predictive models for their frequency response and noise spectrum. An exhaustive analysis on the optimal approach to PZT sensing is followed by the description and presentation of a new electronic system with enhanced capabilities to maximize PZT readout performances; concurrently, an in-depth explanation on the piezoelectric properties of PZT is provided and corroborated through electrical measurements on the thin-film piezosensors. Non-linear behaviors and environmental influences on micromirror devices are eventually investigated: the non-linear nature of both piezoelectric actuation and air drag damping is quantitatively assessed and theoretically interpreted, to then conclude with a compendious characterization campaign of temperature effects on the MEMS micromirror electromechanical system.

Negli ultimi anni, i microspecchi MEMS sono stati oggetto di continuo sviluppo come conseguenza del loro vasto impiego in numerosi campi di applicazione. Le più recenti tecnologie, che adoperano microspecchi nei sistemi di scansione laser o per picoproiettori, impongono requisiti stringenti sulla risoluzione dell'immagine generata. Per ottenere una buona qualità della proiezione luminosa, sono necessarie tecniche di controllo accuratamente calibrate, che tuttavia richiedono una descrizione fisica completa di questi dispositivi. Quest'ultimo requisito definisce il contesto operativo di questa tesi, che si propone dunque di caratterizzare estensivamente dei prototipi di microspecchi MEMS, comprensivi sia di layer PZT a film sottile che di elementi piezoresistivi integrati, che assieme rappresentano le tecnologie più avanzate per quanto riguarda attuatori e sensori nei extit{microscanner}. La caratterizzazione dei dispositivi si concentra dapprima sulla formulazione di modelli predittivi per la risposta in frequenza e spettro di rumore. Un'analisi completa sull'approccio ottimale al extit{sensing} PZT è seguita dalla descrizione e presentazione di un nuovo sistema elettronico con prestazioni migliorate per massimizzare la resa della lettura PZT dell'anglolo meccanico; allo stesso tempo, viene fornita una spiegazione approfondita delle proprietà piezoelettiche del materiale PZT, per essere poi supportata da misure elettriche sul piezosensore capacitivo. Infine, lo studio dei dispositivi si sofferma sui tipici fenomeni non lineari e effetti delle condizioni ambientali che più comunemente ne influenzano l'operazione: la natura non lineare dell'attuazione piezoelettrica e dell'attrito viscoso con l'aria sono numericamente valutati e teoricamente interpretati, concludendo per ultimo con un'eusaustiva caratterizzazione sul comportamento in temperatura del sistema elettromeccanico rappresentato dai microspecchi MEMS.