PhD Alumni


Langfelder Giacomo

Present position: Temporary researcher
ftp://ftp.elet.polimi.it/outgoing/Giacomo.Langfelder
 

Thesis title:  Actuation and Readout Electronics for MEMS Micro Structures Fatigue Characterization and Stability Control
Advisor:  Antonio Longoni
Research area:  Sensors and Instrumentation
Thesis abstract:  
La Tesi di Dottorato di Ricerca ha riguardato due dei principali aspetti legati all’affidabilità dei sistemi micro-elettro-meccanici, la resistenza alla fatica ed il fenomeno del pull-in. L’attività di ricerca è stata in parte svolta nell’ambito di una multidisciplinare collaborazione tra alcuni Dipartimenti del Politecnico di Milano (DEI, DIS, DIMAT, DIN) e l’azienda ST Microelectronics, ed è orientata allo studio di problematiche tecnologiche ed operative di accelerometri MEMS.
Una prima parte dell’attività (progetto MA. RE., MAterial REliability) è focalizzata sullo studio di aspetti di affidabilità dei MEMS, intrinsecamente legati alle proprietà del materiale in strutture micro e nanometriche. Questa ricerca ha portato allo sviluppo di un metodo e di una strumentazione per il monitoraggio in modo continuo del comportamento di microfratture e accumuli di altre forme di danno in strutture MEMS in Silicio policristallino. La rilevanza della ricerca ha un aspetto di base, legato alla comprensione dei fenomeni fisici che sono causa di fatica in strutture realizzate in materiali fragili, e un aspetto pratico legato alla conseguente affidabilità di MEMS soggetti a cicli di carico periodico o variabile durante la loro vita, ad esempio accelerometri o risonatori.
Più in dettaglio, la ricerca ha comportato lo sviluppo di un apparato automatizzato che consente sia la caratterizzazione dei parametri meccanici rilevanti dei micro e nano-dispositivi, sia l’esecuzione e il monitoraggio di test a fatica. La determinazione dell’accumulo di danno antecedente la rottura a fatica richiede alla strumentazione una elevata risoluzione ed una elevata stabilità. L’apparato sviluppato consente misure anche su wafer.
Il sistema di acquisizione proposto è basato su una tecnica di lettura con modulazione e filtraggio di tipo lock-in, che consente di ottenere elevata sensitività con segnali di modulazione di livello così basso da potere in prospettiva essere applicati anche in strutture più scalate con gap nanometrici.
I risultati ottenuti mostrano una descrizione dei fenomeni di fatica in microstrutture in polisilicio riconducibile ad una curva di Woehler per stress applicati con componenti sia di tensione che di compressione; un valore minimo dello stress necessario, in tale situazione, per indurre accumulo di danno a fatica stimato in circa il 50% dello stress necessario per indurre rottura monotona; inoltre si osserva una diminuzione della rigidezza elastica durante i cicli di fatica, correlabile al massimo sforzo applicato. Tale diminuzione risulta in ragionevole accordo con teorie proposte in letteratura, che attribuiscono la variazione di rigidezza elastica all’aumento di ossidazione locale della regione sottoposta al massimo stress.

Una seconda parte dell’attività di ricerca (progetto MO.SE.NA. Motion NAno SEnsor) riguarda lo studio e lo sviluppo di un’elettronica integrata di pilotaggio e lettura di accelerometri MEMS di futura generazione con dimensioni di gap nanometriche. I sensori inerziali rappresentano uno dei casi in cui la tecnologia MEMS è ormai affermata ed ampiamente diffusa. Tuttavia, in campo industriale, si sta sviluppando un salto tecnologico verso generazioni di accelerometri caratterizzati da elementi strutturali di dimesioni submicrometriche. La descritta prima parte dell’attività di tesi si riferisce appunto a studi relativi alla tecnologia necessaria per produrre tali dispositivi. Questa parte della tesi si riferisce ad aspetti applicativi di tali dispositivi.
Tra le problematiche che diventano importanti in questa nuova generazione di accelerometri, c’è il fenomeno del pull in, indotto dalle forze elettrostatiche causate dai circuiti di pilotaggio e lettura dell’accelerometro. In questa parte della ricerca viene studiato il principio di funzionamento e l’implementazione VLSI di un circuito per il pilotaggio e la lettura dei segnali da accelerometri scalati. La peculiarità di tale circuito è quella di annullare le forze elettrostatiche agenti sulla massa inerziale del dispositivo, mediante il controllo della carica accumulata sull’elettrodo solidale alla massa inerziale. Tale controllo è ottenuto mediante un circuito controreazionato a capacità commutate.

Tra i principali risultati ottenuti in questa parte della tesi si citano: lo sviluppo di modelli fisici dell’accelerometro, utilizzabili nel simulatore circuitale Cadence e in Simulink, che consentono di effettuare simulazioni accoppiate del cicuito elettronico e della parte meccanica e sono stati la base per lo sviluppo del circuito di controllo del MEMS; il dimensionamento di due accelerometri, che ha consentito, in collaborazione con il DIS, la realizzazione di due prototipi che verranno utilizzati nella sperimentazione del circuito di pilotaggio; infine il progetto dell’ ASIC di controllo e lettura a capacità commutate.

Curriculum: