Design, fabbricazione e caratterizzazione di giroscopi MEMS

Abstract

Realizzare un sensore di movimento tramite MEMS significa miniaturizzazione ed integrazione con la tecnologia del silicio. In questo modo i costi di produzione si abbassano ed è possibile l’impiego in numerosi beni di consumo. Basti pensare a tutti i dispositivi digitali odierni che riconoscono la propria orientazione e ruotano lo schermo in base ad essa: il sensore al loro interno è nella maggior parte dei casi un accelerometro MEMS. Molti dei moderni smartphone di punta integrano anche sensori più complessi come giroscopio e barometro. Ma il campo di applicazione dei giroscopi MEMS non si ferma all’elettronica di consumo: infatti anche in alcuni ambiti dove è necessaria elevata sensibilità questi dispositivi sono comunque preferiti per la loro compattezza e il loro basso consumo energetico. Uno di questi ambiti è la navigazione spaziale, in quanto a bordo di un satellite è fondamentale limitare peso, volume e consumo energetico. Raggiungere su MEMS delle specifiche tali da consentire la navigazione tuttavia non è un’impresa facile, infatti nei satelliti vengono ancora impiegati i più precisi giroscopi a fibra ottica, che però sono molto pesanti, ingombranti e richiedono molta energia. Il problema fondamentale è che esistono pochi giroscopi MEMS sufficientemente sensibili da rivelare la rotazione terrestre, e quei pochi che esistono non sono certificati per lo spazio. La finalità di questo lavoro, svolto in collaborazione con una nota azienda del settore spazio, è proprio quella di realizzare un giroscopio MEMS con risoluzione sufficientemente elevata e con possibilità di spazializzazione. Per una panoramica più completa sullo stato dell’arte, consultare pag. 4 della tesi completa. Questa versione ridotta è intesa a fornire una rapida panoramica del lavoro di dottorato svolto in tre anni. Essendo molto ristretta, molti argomenti sono solo accennati e vari concetti sono dati per scontati: per una trattazione più completa, vengono poi forniti riferimenti alla tesi vera e propria. Sempre all’interno della tesi completa è possibile trovare un glossario e una bibliografia che possono essere d’aiuto nella lettura. Alcuni argomenti trattati nella versione integrale potrebbero essere completamente assenti in questo documento. Tutto il lavoro, dalla fabbricazione alla realizzazione del setup di misurazione e test dei dispositivi, è stato svolto presso l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR. Questa versione sintetica è strutturata come la versione completa: dopo aver fornito una rapida introduzione che serve anche a spiegare le motivazioni del lavoro, vengono descritte tutte le fasi della realizzazione e della caratterizzazione dei giroscopi MEMS. È importante ricordare che sebbene nell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie erano già presenti le competenze necessarie alla realizzazione di dispositivi MEMS, la linea di ricerca sui giroscopi è iniziata con questo lavoro, e pertanto è stato mio compito curarmi di tutti gli aspetti della stessa. In particolare mi sono occupato del disegno e simulazione della struttura mediante software agli elementi finiti, di tutto il processo di fabbricazione (interamente effettuato all’interno istituto), della realizzazione del setup utilizzato per le misurazioni, così come anche di tutte le misurazioni effettuate. La struttura del lavoro di tesi è quindi composta da: introduzione, principio di funzionamento, simulazione e design, fabbricazione, elettronica di misurazione e risultati ottenuti.