Analisi numerica e confronti sperimentali di metastrutture piezoelettriche in AlN

Piezoelectric resonators based on microelectromechanical systems (MEMS) have been a cutting-edge discovery since their first implementation. These devices, developed for various purposes, are made with wafer structure in which a layer of piezoelectric material, capable of converting mechanical energy into electrical energy, is deposited on a silicon substrate. This thesis aims to investigate various piezoelectric transducers, which differ in architecture, introducing as a novel aspect the use of aluminum nitride (AlN) in single-crystal form, a lead-free piezoelectric material that has the advantage of being non-toxic, unlike other materials containing lead. In line with laboratory tests conducted on piezoelectric MEMS resonators by the POLIFAB laboratory, the Politecnico di Milano's micro- and nanofabrication facility, numerical analyses were performed using the finite element software COMSOL Multiphysics to deduce their characteristic electromechanical parameters.

I risonatori piezoelettrici basati su sistemi microelettromeccanici (MEMS) sono stati fin dalla loro prima implementazione una scoperta d'avanguardia. Questi dispositivi, sviluppati per diversi scopi, sono realizzati con struttura a wafer nella quale su un substrato in silicio di base viene depositato uno strato di materiale piezoelettrico in grado di convertire l'energia meccanica in energia elettrica. Questa tesi si propone di approfondire lo studio di diversi trasduttori piezoelettrici, che si differenziano per architettura, introducendo come novità l'uso del nitruro d'alluminio (AlN) in forma di cristallo singolo, un materiale piezoelettrico lead-free che ha il pregio di non essere tossico, a differenza di altri materiali che contengono il piombo. In linea alle prove di laboratorio eseguite sui risonatori MEMS piezoelettrici dal laboratorio POLIFAB, infrastruttura del Politecnico di Milano per micro e nano fabbricazione, sono state eseguite delle analisi numeriche tramite il software ad elementi finiti COMSOL Multiphysics al fine di dedurne i parametri elettromeccanici caratteristici.