Inkjet printing of capacitive accelerometers

The objective of this master thesis is the fabrication of a MEMS uniaxial accelerometer utilizing capacitive sensing for precise measurement of acceleration. The production of the device with a method that offer scalability and affordability is of great interest, so additive manufacturing techniques were considered. The additive manufacturing technique used in this thesis is inkjet printing that is a low-cost and scalable production method, which potentially adapts well to the manufacturing of micro-devices. The structural part (anchor, springs, seismic mass) of the accelerometer printed by inkjet is made of SU-8, which has been suitably diluted with cyclopentanone to make it printable. In order to improve the morphology and the mechanical properties of the printed layers, in-situ crosslinking is attempted using a mix of localized heat treatment and UV exposure. Later on, an external metallic layer of Ti is deposited above the structural layer by using the sputtering technique, this is used to increase the mechanical properties of the device and to increase its electrical conductivity, which is necessary for the capacitive measures. The devices are thoroughly characterized from a morphological standpoint before being tested to evaluate their sensing performances through capacitive measures. The accelerometers' signal readings demonstrate a predictable response, suggesting their possible future relevance to real-world sensing applications.

L’obiettivo di questa tesi di laurea magistrale è la fabbricazione di un accelerometro monoassiale MEMS, che utilizza il rilevamento capacitivo per misurare con precisione l'accelerazione. La produzione del dispositivo con un metodo che offra scalabilità e convenienza è di grande interesse, quindi sono state prese in considerazione le tecniche di fabbricazione additiva. La tecnica di produzione additiva utilizzata in questa tesi è la stampa a getto d'inchiostro, un metodo di produzione a basso costo e scalabile, e che potenzialmente si adatta bene alla produzione di microdispositivi. La parte strutturale (ancora, molla e massa centrale) dell'accelerometro stampato a getto d'inchiostro è realizzata in SU-8, opportunamente diluito con ciclopentanone per renderlo stampabile. Per migliorare la morfologia e le proprietà meccaniche degli strati stampati, è stata effettuata una reticolazione in situ, utilizzando un mix di trattamento termico localizzato ed esposizione ai raggi UV. Successivamente, sopra lo strato strutturale, viene depositato uno strato metallico esterno di Ti con la tecnica dello sputtering. Esso serve ad aumentare le proprietà meccaniche del dispositivo ed a incrementare la sua conducibilità elettrica, necessaria per le misure capacitive. I dispositivi sono stati accuratamente caratterizzati dal punto di vista morfologico prima di essere testati per valutare le loro prestazioni di rilevamento attraverso misure capacitive. Le letture del segnale degli accelerometri dimostrano una risposta prevedibile, suggerendo la loro possibile futura applicabilità per le applicazioni di rilevamento del mondo reale.