E le loro applicazioni - I sistemi microelettromeccanici - Prof ...
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Tecnologie • MEMS
I sistemi microelettromeccanici
e le loro applicazioni
I MEMS (MicroElectroMechanical
System) sono complessi insiemi di L a tecnologia MEMS oggi rappresenta un’op-
zione sempre più diffusa per la sensoristica,
specialmente nelle applicazioni orientate al con-
e attuazione incorporate nello stesso disposi-
tivo MEMS consente di realizzare anelli di re-
troazione elettromeccanica, ampiamente usati
dispositivi elettronici e meccanici tenimento di costi e dimensioni su ampi volumi per esempio nei microaccelerometri capacitivi
integrati nello stesso chip di silicio di pezzi. Sensori di pressione, di flusso, acce- a bilanciamento elettrostatico, e permette di in-
attraverso processi di microfabbri- lerometri, giroscopi, microfoni sono solo alcuni vestigare soluzioni basate su servomeccanismi
cazione che estendono quelli della esempi di MEMS che già pervadono i campi integrati [3].
automotive, consumer e industrial affacciandosi Un importante fattore che consente di espandere
microelettronica. Le loro applica- su nuovi settori quali healthcare e IoT [1]. Mol- significativamente le potenzialità applicative dei
zioni sono molteplici. Vediamo il ti sensori MEMS prevedono nel loro principio MEMS, aprendo il campo a funzionalità nuove,
loro utilizzo in sensori, attuatori ed di funzionamento la presenza di attuatori in- consiste nella possibilità di integrare in silicio ma-
energy harvesting terni basati sull’utilizzo di processi standard di teriali non standard che consentano di sfruttare
microfabbricazione del silicio che consentono particolari principi di trasduzione.
Marco Baù, Alessandro Nastro, Marco Ferrari meccanismi di trasduzione elettromeccanica Un esempio rilevante è dato dalla recente maturità
e Vittorio Ferrari (Università di Brescia) quali per esempio quello elettrostatico o elet- tecnologica raggiunta nell’integrazione di mate-
trotermico, basati rispettivamente sulla forza riali che presentano l’effetto piezoelettrico, con-
elettrostatica tra armature di microcondensa- sistente nella generazione di un segnale elettrico
tori e la dilatazione termica di microstrutture in risposta a una sollecitazione meccanica e, re-
localmente riscaldate da corrente elettrica [2]. ciprocamente, in una azione meccanica prodotta
La combinazione di funzionalità di rilevazione da uno stimolo elettrico, dando vita alla neonata
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L’effetto
piezoelettrico a
consiste
nella generazione
di un segnale
elettrico in risposta b
a una sollecitazione S = sET + dE
meccanica c D = dT + T
E
e viceversa S = strain D = carica/area d = cooefficiente piezoelettrico
T = stress E = campo elettrico
sE = cedevolezza @ E = cost. T
= permittività @ T = cost.
Figura 1 – Effetto piezoelettrico diretto (a), inverso (b), equazioni costitutive (c)
classe dei MEMS piezoelettrici, o piezoMEMS. I Effetto piezoelettrico to di deformazione meccanica, si manifesta come
MEMS piezoelettrici rappresentano, da un lato, in MEMS uno sbilanciamento netto di carica agli elettrodi.
un ambito di ricerca attuale, ampio e molto vitale L’effetto piezoelettrico, dal greco antico “elettricità Tale asimmetria può essere intrinseca, come nei
che studia tecnologie, dispositivi e applicazioni, indotta dalla pressione”, è la proprietà di una clas- materiali piezoelettrici propriamente detti quali il
ma, nel contempo, offrono ormai un rilevante nu- se di materiali, generalmente isolanti, per i quali quarzo, oppure indotta da un pre-trattamento di
mero di soluzioni concrete e dispositivi commer- una forza produce uno sbilanciamento di carica orientazione dei dipoli del materiale detto polariz-
ciali con previsioni di costante crescita. Testine di elettrica e, reciprocamente, una tensione deter- zazione (poling) ottenuto mediante applicazione di
stampa ink-jet, giroscopi, risonatori, trasduttori a mina una deformazione meccanica. Il primo e il campo elettrico a temperatura ambiente o mag-
ultrasuoni (PMUT - Piezoelectric Micromachined secondo fenomeno sono definiti rispettivamente giore, come accade nelle ceramiche polarizzate.
Ultrasonic Transducers), filtri e switch a radiofre- effetto piezoelettrico diretto e inverso (Figg. 1a Ne risulta che i materiali che manifestano pie-
quenza, attuatori per microspecchi e microsistemi e 1b). zoelettricità intrinsecamente sono, o sono resi,
ottici autofocus, microfoni sono solo alcuni dei Si tratta di un fenomeno di trasduzione elettro- anisostropi, ossia le loro proprietà dipendono dalla
dispositivi e degli ambiti oggi coperti da produt- meccanica lineare, in cui causa ed effetto so- direzione. Pertanto le grandezze nelle equazioni
tori di dispositivi quali ST Microelectronics, Rohm, no tra loro proporzionali. Le equazioni costitutive costitutive normalmente includono i pedici 1, 2
Bosch e aziende IDM (Integrated Device Manufac- che lo descrivono (Figura 1c) rappresentano un e 3 a rappresentare le direzioni spaziali x, y e z,
turer) quali TDK-Invensense, Chirp Microsystems elemento meccanico elastico in cui è prodotta con la convenzione che la direzione 3 è quella di
e Vesper [4]. una sollecitazione aggiuntiva per via elettrica e, polarizzazione. Ne deriva che, per un dato mate-
In questo scenario, viene di seguito richiamato reciprocamente, un elemento dielettrico in cui è riale, il coefficiente piezoelettrico d33 quantifica
l’effetto piezoelettrico e le principali peculiarità indotta una carica addizionale per via meccanica. la trasduzione in cui grandezze elettriche e mec-
della sua applicazione nel campo dei MEMS, e Il coefficiente piezoelettrico d è una proprietà del caniche sono entrambe dirette lungo z (effetto
vengono presentate alcune attività di ricerca in materiale che quantifica il grado di accoppiamento longitudinale), mentre il coefficiente piezoelettrico
cui sono impegnati gli autori, anche nell’ambito tra i domini meccanico ed elettrico. d31 si riferisce al caso in cui grandezze elettriche
di collaborazioni internazionali, che hanno portato I materiali piezoelettrici devono la loro proprietà e meccaniche sono rispettivamente dirette lungo
allo sviluppo di prototipi di MEMS piezoelettrici per a una asimmetria interna nella distribuzione delle z e x (effetto trasversale).
sensori, attuatori e energy harvesting. cariche elettriche positive e negative che, a segui- La linearità dell’effetto piezoelettrico, rispecchia-
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a b
C d
Figura 2 – Microsensore risonante piezoelettrico tri [5], ma è stato investigato anche l’impiego di sodio e potassio) che rappresenta una delle al-
MEMS a interrogazione contactless: struttura spessori maggiori [6]. Tra i metodi di deposizione ternative lead-less più promettenti per sostituire
SoI con film piezoelettrico di AlN (a), primo modo
radiale (b), circuito elettronico di interrogazione oggetto di ricerca e sperimentazione, quelli che il PZT che, a causa della presenza di piombo, è
(c), frequenza di risonanza del sensore usato a oggi hanno raggiunto un’adeguata compatibili- soggetto a limitazioni di compatibilità in alcune
come microbilancia durante la deposizione ed tà coi processi di microfabbricazione del silicio e applicazioni.
evaporazione di microgocce (d)
sono impiegati in piezoMEMS commerciali sono Dato che un materiale piezoelettrico deposto in
essenzialmente la deposizione per sputtering e forma di film subisce un vincolo di irrigidimento
per sol-gel [7]. in direzione planare esercitato dalla reazione del
ta nelle equazioni costitutive, ha la fondamentale I materiali maggiormente usati per film piezoelet- substrato, i coefficienti piezoelettrici dei materiali
conseguenza pratica che conserva il segno, ossia trici in piezoMEMS sono PZT (zirconato-titanato usati in piezoMEMS sono di solito indicati inclu-
se in un determinato elemento una tensione po- di piombo) in varie composizioni e AlN (nitruro di dendo il pedice “f”, per film. Dunque d33,f indica
sitiva produce un allungamento, l’inversione della alluminio). Meno diffuso è l’impiego di ZnO (ossido il coefficiente piezoelettrico in direzione 3, ossia
tensione causa una contrazione. Ciò rappresen- di zinco) e altri materiali, tra cui KNN (niobato di z, per un piezofilm su substrato. Dato un mate-
ta un vantaggio essenziale nella realizzazione riale, d33,f è inferiore a d33 per il film idealmente
di attuatori che funzionano simmetricamente in staccato dal substrato [5-7].
modalità push-pull. Allo stesso modo, invertire il A seconda del materiale e del processo di deposi-
segno della forza applicata produce l’inversione di È stata sviluppata zione, i film piezoelettrici già nella forma così come
polarità della carica indotta, permettendo diretta- deposti (as prepared) possono vantaggiosamente
mente la realizzazione di sensori che producono
una tecnica che consente presentare un certo grado di allineamento prefe-
un segnale bipolare in risposta a trazione e com- di leggere la frequenza renziale dei dipoli. Ciò si ottiene, in particolare
pressione nel materiale. di risonanza del sia per AlN sia per PZT, utilizzando specifici pro-
Nei MEMS gli elementi piezoelettrici sono integrati microrisonatore in modalità cessi di deposizione orientata, abbinati a even-
prevalentemente nella forma di film sottili, con contactless a corto raggio tuale funzionalizzazione del substrato con strati
spessore di solito non superiore a pochi microme- di interfaccia per consentire crescita epitassiale.
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tra una microspira connessa al microrisonatore a
bordo dell’unità sensore totalmente passiva (Sen-
sor Unit - SU) e una spira collegata all’unità elet-
tronica di interrogazione (Interrogation Unit - IU)
posta in prossimità.
Attraverso l’alternarsi di una fase di eccitazione
a b del microrisonatore seguita da una fase di rileva-
zione della risposta di vibrazione libera, la tecnica
e il circuito sviluppati consentono il fondamentale
vantaggio, rispetto a soluzioni simili, che la lettura
della frequenza di risonanza favorevolmente non
dipende dalla distanza tra SU e IU entro un campo
di circa 2 cm.
Figura 2d mostra i risultati sperimentali ottenuti
c d misurando la frequenza di risonanza del microri-
sonatore usato come sensore a microbilancia du-
rante le fasi di deposizione e successiva evapora-
Figura 3 – MEMS piezoelettrico a generazione di onde di Lamb per attuazione microfluidica: struttura SoI con zione di microgocce di liquido sulla sua superficie.
film piezoelettrico di AlN (a), immagine del dispositivo (b), meccanismo di attuazione in liquido a contatto col
substrato (c), processo di centrifugazione di gocce in senso orario/antiorario a seconda della posizione rispetto I risultati consentono di analizzare la complessa
agli attuatori IDT (d) dinamica del fenomeno e confermano l’applicabi-
lità del dispositivo sviluppato come microbilancia
a interrogazione contactless.
Disporre di adeguate proprietà piezoelettriche nei silicon-on-insulator (SoI) con film di AlN deposto Microattuatori a onde acustiche
film as prepared, senza che si renda necessario il su un disco di silicio nel quale, per effetto tra- Un film piezoelettrico pilotato da una tensione al-
trattamento di polarizzazione, rappresenta un fat- sversale di tipo 31, sono eccitate vibrazioni radiali ternata consente di eccitare vibrazioni meccani-
tore di significativa importanza per consentire la assialsimmetriche (contour mode) [8]. che nel substrato che si propagano sotto forma
produzione di piezoMEMS su grandi volumi senza Il disco ha diametro di 400 µm ed è ancorato di onde acustiche e possono accoppiarsi al mez-
l’aggravio di passi di processo aggiuntivi. alla cornice esterna attraverso quattro supporti zo circostante trasferendo energia e, nel caso il
elastici posizionati simmetricamente sulla circon- mezzo sia aria, generando suono o ultrasuoni a
Esempi di PiezoMEMS ferenza. Il primo modo di risonanza radiale è rap- seconda della frequenza di eccitazione. Su scala
Microsensore risonante a interrogazione presentato dai risultati di simulazioni a elementi MEMS l’effetto è già oggi utilizzato per esempio
contactless finiti di Figura 2b e ha una frequenza di 6.3 MHz. nei PMUT ed è oggetto di crescenti interessi di
I risonatori piezoelettrici MEMS sono usati come Il microrisonatore è configurato elettricamente ricerca nel settore della acustofluidica che riguar-
riferimenti di frequenza, filtri e sensori [7]. In par- come un bipolo che può essere modellizzato in da lo studio delle interazioni tra onde acustiche e
ticolare, i microrisonatori piezoelettrici possono forma equivalente da un circuito LmCmRm serie, fluidi e delle applicazioni che ne possono derivare,
operare come sensori a microbilancia nei quali che rappresenta il ramo associato al comporta- per esempio in campo biomedico.
una piccola massa deposta sul risonatore può mento meccanico, in parallelo a una capacità C0 Come esempio di piezoMEMS per acustofluidi-
essere rilevata con elevata sensibilità misurando associata al comportamento elettrico. ca, Figura 3a mostra un dispositivo, realizzato in
l’alterazione della frequenza di risonanza. È così È stata sviluppata una tecnica innovativa che collaborazione con Université Grenoble Alpes e
possibile, per esempio, rilevare specie chimiche consente di leggere la frequenza di risonanza del Institut Polytechnique de Grenoble, in tecnologia
o biologiche in gas e liquido adsorbite sulla su- microrisonatore in modalità contactless a corto silicon-on-insulator (SoI) con film di AlN [9].
perficie del sensore attraverso la variazione di raggio, così che esso possa funzionare come un La struttura ha la forma di un diaframma quadrato
frequenza prodotta. sensore posizionabile in ambienti chiusi, inacces- di 6 mm di lato e circa 10 µm di spessore sulla
In questo ambito, Figura 2a mostra un risonato- sibili o non compatibili con collegamenti cablati. superficie superiore del quale è deposto il film di
re piezoMEMS realizzato in collaborazione con la La tecnica, illustrata nello schema a blocchi di AlN di spessore 1 µm. Sul film ai quattro lati del
City University di Hong Kong, basato su substrato Figura 2c, si basa sull’accoppiamento magnetico diaframma sono realizzati quattro coppie di elet-
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Figura 4 – Trasduttore
a b acustico MEMS
piezoelettrico con
risonanza accordabile
elettricamente:
struttura SoI con
film piezoelettrico
di AlN (a), primo
modo flessionale
(b), meccanismo di
comando degli IDT
per generazione
acustica in aria e
contemporanea
attuazione statica per
tuning della risonanza
(c), ampiezza del
segnale acustico
sinusoidale emesso
dal MEMS in funzione
della frequenza al
c d variare della tensione
di tuning (d)
trodi interdigitati (IDT - InterDigital Transducer) in applicazioni lab on chip. Ulteriori esperimenti in una corrispondente diminuzione o crescita della
con passo di 120 µm. Figura 3b mostra un’im- corso con lo stesso dispositivo stanno dimostran- frequenza di risonanza. Il principio è stato confer-
magine del MEMS. do la possibilità di movimentare e allineare per mato sperimentalmente sia in configurazione di
Ciascuna delle quattro coppie di IDT sul film pie- via acustica microparticelle disperse nel liquido, trasmettitore sia di ricevitore come mostrato dai
zoelettrico, eccitata con una tensione alternata di promettendo la trasferibilità alla movimentazione risultati di Figura 4c che dimostrano un’accorda-
frequenza opportuna, opera come attuatore pro- di cellule in soluzione di coltura. bilità di circa il 5% nell’intervallo di Vb esplorato.
ducendo sollecitazioni periodiche che si propaga- Lo stesso piezoMEMS sopra descritto, riporta- Il tuning elettrico di trasduttori acustici può rive-
no nel diaframma come onde di Lamb, caratte- to in Figura 4a, è stato impiegato per studiare larsi utile per migliorare l’efficacia di trasmissione/
rizzate da moto flessionale con lunghezza d’onda l’emissione e la ricezione di onde acustiche in ricezione attraverso un accoppiamento ottimale
maggiore dello spessore del substrato. Un liquido aria. Attraverso i segnali applicati e ricevuti agli delle rispettive frequenze.
in contatto con la parte inferiore del diaframma è elettrodi è stato possibile attuare e rilevare vibra-
soggetto a un complesso campo di forze prodotte zioni flessionali piston-like del diaframma, come Energy harvesting
dalle onde nel substrato. In particolare, se il liquido rappresentato in Figura 4b. È stato utilizzato il da vibrazioni
è nella forma di goccia, come rappresentato in primo modo a frequenza di circa 5,5 kHz, ossia La conversione di energia disponibile in ambien-
Figura 3c, si instaurano in essa deformazione e in campo udibile. te (energy harvesting) per alimentare sensori e
moti interni ordinati, fino a traslazione o vaporiz- È stata investigata la possibilità di variare la fre- microsistemi stand-alone rappresenta una pro-
zazione del liquido. quenza di risonanza attraverso un meccanismo di spettiva promettente per superare le limitazioni
Figura 3d mostra le configurazioni sperimenta- accordatura (tuning) delle caratteristiche mecca- dell’uso di batterie che necessitano di ricarica/so-
li in cui una goccia di liquido sul diaframma è niche del diaframma controllato per via elettrica. stituzione periodica. L’effetto piezoelettrico è stato
stata eccitata dalle onde prodotte pilotando al- Allo scopo, per due dei quattro IDT, è stata adot- ampiamente dimostrato essere efficace per ener-
ternativamente due IDT con assi perpendicolari. tata una configurazione elettrica specifica che usa gy harvesting da vibrazioni meccaniche in proto-
Mediante filmati al microscopio è stato osservato gli IDT cortocircuitati e l’elettrodo di substrato tra tipi di taglia macro e, scalando favorevolmente
come le due configurazioni di eccitazione induca- cui è applicata una tensione continua Vb, come con la diminuzione delle dimensioni, richiama
no nella goccia, in forma controllabile e ripetibile, illustrato in Figura 4c. Ciò consente di sfruttare il forti interessi di ricerca per studiare convertitori
una centrifugazione in senso orario e antiorario modo 31 nel film di AlN per indurre una sollecita- di energia meccanoelettrici in tecnologia MEMS.
rispettivamente. Ciò consentirebbe, per esempio, zione statica planare nel diaframma, compressiva In generale, l’efficacia di conversione è massima
di effettuare miscelazione di microvolumi di fluido o tensile a seconda del segno di Vb, che determina alla risonanza dell’elemento meccanico elastico
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Tecnologie • MEMS
Figura 5 – Multi-convertitore
a b MEMS piezoelettrico non
lineare per energy harvesting
da vibrazioni: struttura
basata su insieme di
cantilever (a), immagine del
dispositivo in silicio con film
di PZT deposto per serigrafia
(b), meccanismo non lineare
basato su interazione
tra magnete e massa
ferromagnetica sui cantilever
(c), tensione a vuoto generata
da un cantilever in assenza
di magnete, in risposta
a sollecitazione impulsiva (d)
c d
che forma il convertitore. Tuttavia, essendo le vi- linearità che consentono di traslare la risposta Figura 5c illustra il meccanismo di non linearità
brazioni ambientali normalmente caratterizzate del convertitore verso le basse frequenze. Una che è basato sull’interazione tra un piccolo ma-
da spettro variabile distribuito su una banda di soluzione innovativa che combina gli approcci gnete a magnetizzazione verticale fissato sulla
frequenze che difficilmente eccede poche centi- multi-convertitore e non lineare su scala MEMS base e masse ferromagnetiche collocate sulla
naia di hertz, esiste un’intrinseca penalizzazione è stata proposta e realizzata in forma di proto- punta dei cantilever. Al decrescere delle distan-
nell’utilizzo di convertitori MEMS risonanti che tipo [11]. ze imposte tra magnete e punta dei cantilever, si
generalmente hanno picchi di risposta stretti e Le Figg. 5a e 5b mostrano rispettivamente lo instaura un grado crescente di non linearità fino
collocati nella regione dei kilohertz. Tra le tecni- schema di principio del multi-convertitore non alla bistabilità [12]. Figura 5d riporta l’andamen-
che maggiormente studiate per affrontare il pro- lineare formato da cantilever piezoelettrici di lun- to tipico della tensione a vuoto per un cantilever
blema figurano l’uso di matrici che combinano ghezze differenti e la sua realizzazione in silicio in assenza di magnete in risposta a eccitazione
convertitori multipli con risonanze differenti per tramite deposizione in post-processing di film di meccanica impulsiva di pochi g sulla base. L’u-
ottenere un allargamento della banda equivalen- PZT mediante stampa serigrafica a partire da u- scita è qualitativamente ben rilevabile, sebbene
te o lo sfruttamento di vari meccanismi di non na pasta a bassa temperatura di stabilizzazione. di livello inferiore a 1 Vpp. •••
Note
[1] https://eu.mouser.com/applications/ Film Piezoelectrics for MEMS”, in Journal of for Contactless Readout of Piezoelectric 20th International Conference on Solid-
mems-technology/ Electroceramics, 12 (2004) 7–17. MEMS Resonator Sensors”, in Sensors, 20, State Sensors, Actuators and Microsystems
[2] Algamili et al., “A Review of Actuation [6] V. Ferrari, “Printed thick-film piezoelec- (2020) 3483. - Transducers 2019 & Eurosensors XXXIII,
and Sensing Mechanisms in MEMS‑Based tric and pyroelectric sensors”, in Printed [9] M. Demori, M. Baù, M. Ferrari, S. Berlin, June 23-27, 2019, 1905-1908.
Sensor Devices”, in Nanoscale Res Lett, films: Materials science and applications Basrour, L. Rufer, V. Ferrari, “MEMS Devi- [11] M. Baù, M. Ferrari, V. Ferrari, “Piezo-
(2021) 16:16. in sensors, electronics and photonics, M. ce with Piezoelectric Actuators for Driving electric Multi-Frequency Nonlinear MEMS
[3] A. Nastro, M. Ferrari, V. Ferrari, Prudenziati and J. Hormadaly (Eds.), 2012, Mechanical Vortexes in Aqueous Solution Converter for Energy Harvesting from
“Double-Actuator Position-Feedback Woodhead Publishing Limited, Cambridge Drops”, in Proc. 20th International Confe- Broadband Vibrations”, in Sensors and Mi-
Mechanism for Adjustable Sensitivity in (UK), Ch. 9, 221-258. ISBN: 978 1 84569 rence on Solid-State Sensors, Actuators crosystems, Lecture Notes in Electrical En-
Electrostatic-Capacitive MEMS Force Sen- 988 8 and Microsystems - Transducers 2019 & gineering, Springer International Publishing,
sors”, in Sensors and Actuators A, 312, [7] S. Tadigadapa, K. Mateti, “Piezoelec- Eurosensors XXXIII, Berlin, June 23-27, Vol. 629, 2020, 265-271.
(2020) 112127. tric MEMS sensors: state-of-the-art and 2019, 2318-2321. [12] M. Baù, D. Alghisi, S. Dalola, M. Fer-
[4] J. Mouly, Piezoelectric Devices - from perspectives”, in Meas. Sci. Technol., 20 [10] A. Nastro, L. Rufer, M. Ferrari, S. rari, V. Ferrari, “Multi-Frequency Array of
Bulk to Thin-Film, 2019, Yole Development, (2009), 092001. Basrour, V. Ferrari, “Piezoelectric Microma- Nonlinear Piezoelectric Converters for Vi-
www.yole.fr. [8] M. Baù, M. Ferrari, H. Begum, A. Ali, J. chined Acoustic Transducer with Electrical- bration Energy Harvesting”, in Smart Mater.
[5] S. Troiler-McKinstry, P. Muralt, “Thin E.-Y. Lee, V. Ferrari, “Technique and Circuit ly-Tunable Resonant Frequency”, in Proc. Struct., 29, 8, (2020) 085047 (18pp).
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