Risonatore torsionale per microsistemi : modellazione, sperimentazione, applicazioni

Micro Electro Mechanics Systems (MEMS) are adopted in many different applications. Over the past two decades they have received increasing attention. In particular, a great attention is on the resonant accelerometers or gyroscopes that detect the external acceleration or angular velocity by measuring frequency variation of a resonating part: the resonators. In this work we study in deep a particular torsional resonator and we analyze its applications on devices like the out of plane resonant accelerometer and the integrated structure of accelerometer and gyroscope. Through the combination of analytical, numerical and experimental results we study in deep the torsional resonator: after a review of the static behavior in which we underline the non-uniform torsions contribution, we make a dynamic model that considers the geometry and the electrostatic actuation with its non-linearity. We test the model with the experimental data trying to understand the problems related to the design and to the resonator response. We also analyze the pull-in phenomenon which is very important in this kind of devices using results taken from literature, finite element simulations and experimental data. For the study of the resonant devices which contain the torsional resonator we analyze the out of plane resonant accelerometer through a frequency analysis and a shape optimization and the integrated structure of resonant accelerometer and gyroscope through another frequency analysis accompanied to an analytical computation of the main frequencies of the device.

La tecnologia dei Micro Sistemi Elettro Meccanici (MEMS) è adottata negli ambiti applicativi più vari ed ha destato negli ultimi decenni un’attenzione sempre crescente. Particolare attenzione è rivolta ai dispositivi risonanti quali accelerometri o giroscopi che rilevano l’accelerazione o la velocità angolare esterna misurando la variazione di frequenza delle sue componenti risonanti: i risonatori. In questa tesi è stato studiato a fondo il funzionamento di un particolare risonatore torsionale e sono state discusse alcune applicazioni in dispositivi quali l’accelerometro risonante fuori piano e la struttura integrata accelerometro e giroscopio. Attraverso una combinazione di risultati analitici, numerici e sperimentali è stato approfondito lo studio del risonatore torsionale: dopo aver analizzato la statica con particolare attenzione alla valutazione del contributo della torsione non uniforme, si è ideato un modello dinamico che tenesse in considerazione la geometria e l’attuazione elettrostatica del risonatore nonché le non linearità elettrostatiche derivanti e si è verificato il modello con i dati sperimentali cercando di individuare eventuali problemi di design e di funzionamento. E’ stato anche indagato il fenomeno del ’pull-in’, molto importante in questa categoria di MEMS, avvalendoci di risultati noti in letteratura, di simulazioni ad elementi finiti e di dati sperimentali. Nel successivo studio dei dispositivi risonanti che prevedono la presenza del risonatore torsionale è stato analizzato l’accelerometro risonante fuori piano tramite un’analisi in frequenza e un’ottimizzazione di forma e la struttura integrata accelerometro e giroscopio tramite un’altra analisi in frequenza affiancata ad una previsione analitica delle principali frequenze proprie.