Integration of magnetic materials into MEMS

Since their first introduction into commercial products in the 1970s, MEMS sensors and actuators have been used in a variety of applications: e.g., inkjet printers, vehicles, mobile devices. To produce MEMS with new features and follow novel trends of technology (energy harvesting, smart sensors, artificial intelligence), integration with functional materials is a mandatory step. In this thesis, we discuss the integration of MEMS with soft and hard ferromagnetic materials, addressing several challenges: deposition and optimization of relatively thick magnetic layers, thermal treatment, patterning, and passivation of the latter. In doing this, we go through three projects developed during the PhD years. In the first project, we integrate magnetic films and planar inductors; in the second, we design and fabricate a novel frequency-modulated MEMS magnetometer with embedded soft and hard magnetic films; in the last one, we deal with enhanced MEMS vibration energy harvesting obtained through the integration of hard magnetic materials. The take-home message of the thesis is that there is no ultimate process or material that meet all needs for all applications. Therefore, in producing new devices, the task of engineers is to find a synergy between design, fabrication process, material choice, and integration constrains.

Dalla loro introduzione negli anni '70, i dispositivi MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) sono stati impiegati in svariate applicazioni: stampanti inkjet, veicoli, dispositivi mobili. L'introduzione di nuove caratteristiche per seguire i nuovi trend tecnologici (come energy harvesting, smart sensors e intelligenza artificiale) richiede l'integrazione di materiali funzionali nella tecnologia MEMS. In questa tesi, discuteremo l'integrazione di materiali magnetici, affrontando diverse problematiche: la deposizione e l'ottimizzazione di film magnetici spessi, il relativo trattamento termico, e le strategie di passivazione e di definizione di geometrie sulla microscala. Affronteremo tre progetti sviluppati durante i tre anni del dottorato. Nel primo progetto, mostriamo come è possibile integrare film magnetici con induttori planari su silicio; nel secondo, affrontiamo la progettazione e la fabbricazione di un nuovo sensore di campo magnetico MEMS, in cui sono inclusi sia magneti dolci che duri; nel terzo e ultimo progetto, trattiamo le strategie per migliorare le performance dell'energy harvesting di vibrazioni ambientali sulla microscala tramite l'aggiunta di materiali magnetici. Durante la lettura della tesi, un punto sarà chiaro: non esiste un processo definitivo o un materiale ideale che soddisfino tutti i bisogni per tutte le applicazioni. Quindi, nella progettazione di nuovi dispositivi, il ruolo dell'ingegnere è quello di trovare una sinergia tra design, processo di fabbricazione, scelta dei materiali e vincoli di integrazione.