Innovative metaplate for vibration isolation of resonant microsystem

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) are currently part of everyday life. MEMS devices are characterized by miniaturization, low power consumption, and tunable production costs, depending on the intended purpose: the possibility of fabricating, for instance, low-cost MEMS designed for consumer electronics besides high-quality MEMS for aerospace applications, combined with their other features, allowed for the diffusion and the integration of these multi-purpose devices in numerous different fields. The main operating properties of these systems are sensitivity and accuracy; the aim of this master thesis revolves around these concepts: in particular, this work focuses its attention on the vibration isolation of resonant microsystems to optimize their functioning. External vibrations represent a remarkable issue for these devices that can compromise the performances of the MEMS. This master thesis concentrates on Phononic Crystals (PCs) properties and investigates the possibility of inserting a metaplate for vibration isolation directly inside the MEMS box, integrating a resonator on top of this structure. This idea is developed by exploiting an innovative MEMS fabrication process named ThELMA-Double. The behavior of the proposed metaplates is inspected by means of various numerical analyses, e.g. dispersion analyses, transmission analyses, and static analyses. A particular metastructure composed of thin-walled unit cells exhibits the best results and has been analyzed even with an integrated resonator on its top. The obtained responses are very promising: the metaplate exhibits effective vibration isolation properties in the range of MHz, therefore, it is a suitable candidate for vibration isolation of resonating devices for 4G/GPS applications.

I Micro Sistemi Elettro Meccanici (MEMS) fanno attualmente parte della vita di tutti i giorni. I dispositivi MEMS sono caratterizzati da miniaturizzazione, ridotto consumo energetico e costi di produzione regolabili a seconda della destinazione d'uso: la possibilità di fabbricare, per esempio, MEMS a basso costo destinati all'elettronica di massa, parallelamente a MEMS di alta qualità destinati ad applicazioni aerospaziali, unitamente alle altre loro caratteristiche, ha permesso la diffusione e l'integrazione di questi dispositivi multifunzione in numerosi settori. Le principali proprietà di funzionamento di questi sistemi sono la sensibilità e la precisione, e lo scopo di questa tesi magistrale ruota intorno a questo concetto: in particolare, questo lavoro si concentra sull'isolamento vibrazionale di miscrosistemi risonanti al fine di ottimizzarne il funzionamento. Le vibrazioni esterne rappresentano un problema rilevante per questi dispositivi, e possono comprometterne le prestazioni. Questa tesi magistrale si concentra sulle proprietà dei cristalli fononici e studia la possibilità di inserire una metapiastra per isolamento vibrazionale direttamente all'interno della MEMS box, incorporando un risonatore su di essa. L'idea viene sviluppata attraverso l'utilizzo di un innovativo processo di fabbricazione dei MEMS chiamato ThELMA-Double. Il comportamento delle metapiastre proposte viene studiato attraverso varie analisi numeriche, ovvero analisi di dispersione, trasmissione e analisi statiche. Una particolare metastruttura formata da celle unitarie a parete sottile mostra i migliori risultati ed è stata analizzata anche in presenza di un risonatore inserito su di essa. Le risposte ottenute sono molto promettenti: la metapiastra mostra importanti proprietà di isolamento vibrazionale nel range dei MHz e risulta quindi un possibile candidato per lo smorzamento vibrazionale di risonatori per applicazioni legate al 4G/GPS.