Design and multiphysics analysis of innovative MEMS actuators

This work presents the numerical analysis and experimental validation of a linear actuator, developed by MEMS group of Politecnico di Milano in collaboration whit STMicroelectronics, and the design and numerical analysis of a novel large rotations MEMS rotatory actuator with electrostatic actuation. Using 3-D finite-element analysis simulations, the mechanical propertied of the two actuators were studied in quasi-static conditions, while numerical implementations of analytical models where performed to study the electrostatic behaviours of the two devices. The linear actuator has two moving shuttles in series connected by eight flexible springs and uses a three-step electrostatic actuation system. It has an in-plane dimension of 1.1x1.1 mm and can reach a displacement of 30 μm. The micromotor has two rotating shuttles in series, and six springs whit an innovative design that allows large rotations whit strong stiffness to rigid in-plane translations. It has a rotor diameter of 1.3 mm and an angular range of 32° (± 16°). Both devices are designed based on the Double-Thelma surface micromachining process developed by STMicroelectronics. The promising performances and small dimensions of the two devices make them suitable for use in medical, bioengineering and microrobotic applications.

Questo lavoro presenta l'analisi numerica e la validazione sperimentale di un attuatore lineare, sviluppato dal gruppo MEMS del Politecnico di Milano in collaborazione con STMicroelectronics, e la progettazione e l'analisi numerica di un nuovo attuatore rotazionale MEMS a grandi rotazioni con attuazione elettrostatica. Utilizzando simulazioni di analisi 3D agli elementi finiti, sono state studiate le proprietà meccanica dei due attuatori in condizioni quasi-statiche, mentre implementazioni numeriche di modelli analitici, sono state eseguite per studiare i comportamenti elettrostatici dei due dispositivi. L'attuatore lineare è composto da due telai mobili, in serie tra di loro, collegati da un sistema di otto molle flessibili. L'attuazione avviene per mezzo di un sistema di attuazione elettrostatica a tre fasi. Il dispositivo ha una dimensione in piano di 1.1x1.1 mm e può raggiungere uno spostamento di 30 μm. Il micromotore, è costituito da due anelli rotanti in serie, collegati tra di loro da sei molle avente una geometria innovativa che consente all'attuatore di compiere grandi rotazioni mantenendo un'alta rigidezza alle traslazioni rigide in piano. Il dispositivo ha un diametro di 1.3 mm e raggiunge una rotazione massima di 32° (± 16°). Entrambi i dispositivi sono progettati sulla base del processo di microlavorazione delle superfici Double-Thelma sviluppato da STMicroelectronics. Le promettenti prestazioni e le dimensioni ridotte dei due dispositivi li rendono adatti per l'uso in applicazioni mediche, bioingegneristiche e microrobotiche.