Modellizzazione, caratterizzazione e controllo di innovativi attuatori Mems basati su Tunnel Comb Finger

The Master’s Thesis project is focused on a large-stroke MEMS actuator able to achieve displacements up to 30μm. This outstanding result is allowed by the fabrication process ThELMADOUBLE which assures the design of structures with a double-layer epitaxial polysilicon. Therefore, it is possible to achieve an electrostatic actuation based on the Tunnel Comb Finger structure. The open-loop measurements carried out at the beginning of the project let validate the linear transduction between actuation voltage and displacement. To exploit the double-layer feature of the fabrication process, the MEMS is placed in a closed-loop system where the action of negative feedback makes the device move according to a desired waveform, minimizing the error. To achieve this goal, a general introduction about MEMS will be presented in Chapter I, then ThELMA-DOUBLE steps will be carefully described in Chapter II highlighting the groundbreaking performances that this fabrication process allows to achieve. After that, a theoretical model made on MATLAB and electrostatic simulations carried out on COMSOL will be explained. In Chapter III a high-level system encompassing both analog and digital parts will be discussed. Later, the electronics implementation stage-by-stage and the design of a PCB will be presented. In conclusion, Chapter IV will be about testing the analog part of the system and the synthesis of digital blocks written in VHDL to assure both the communication between FPGA with ADC and DACs, and the controller. Open-loop measurements carried out with the PCB system designed will be eventually shown.

Il progetto di tesi ruota intorno ad un attuatore MEMS per larghi spostamenti, fino a 30μm. Questo risultato è raggiunto grazie al processo produttivo del ThELMA-Double il quale permette di realizzare strutture che presentano un doppio strato di polisilicio epitassiale. Così facendo, è possibile implementare dispositivi con attuazione elettrostatica basata su Tunnel Comb Finger. Questo lavoro di tesi parte validando la struttura con misure in anello aperto con cui dimostrare che le specifiche di progetto garantiscono una trasduzione lineare tra tensione di attuazione e spostamento. Per valorizzare il grande potenziale conferito da una struttura a doppio strato, si inserisce il dispositivo all’interno di un sistema in anello chiuso in cui il feedback negativo agente permette di imporre una forma d’onda da seguire, minimizzando l’errore commesso. Per raggiungere questo risultato, dopo un’introduzione generale sui dispositivi MEMS presentata nel Capitolo I, si proseguirà nel Capitolo II con un’esposizione dettagliata dei passaggi del processo di fabbricazione del ThELMA-Double, mettendo in luce i grandi vantaggi che se ne possono trarre. Verrà esposto il modello teorico della struttura delineato con MATLAB e le simulazioni elettrostatiche ad elementi finiti realizzate con COMSOL. Nel Capitolo III si potrà apprezzare il sistema creato ad alto livello con Simulink, il quale modellizza sia la parte analogica che la parte digitale. A seguire, sarà esposta l’implementazione blocco per blocco dell’equivalente elettronico di ogni stadio e il progetto della scheda PCB. La tesi si conclude con il Capitolo IV in cui verrà esposta prima la validazione della parte analogica del sistema, ed in seguito la sintesi digitale in VHDL dell’interfaccia con FPGA dei componenti dedicati alla conversione analogico-digitale presenti sulla scheda e del controllore. Verranno inoltre esposte le misure in anello aperto realizzate con il sistema implementato su PCB.