Microssistemas eletromecânicos ou Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), representam uma classe de dispositivos que combinam funções mecânicas e eletrônicas em escala micrométrica. Através do uso de técnicas de microfabricação, adaptadas da indústria de semicondutores, é realizada a integração entre estruturas móveis, sensores, atuadores e eletrônica, tornando possível a implementação de sistemas completos miniaturizados. Acelerômetros eletrostáticos estão entre os dispositivos MEMS mais comercializados hoje em dia, com venda anual em todo o mundo superior a 100 milhões de unidades e crescente a cada ano. Eles são geralmente fabricados utilizando-se três lâminas de silício espessas, coladas uma sobre a outra. A camada intermediária é obtida por processos de corrosão e consiste de uma grande massa de prova suspensa por uma ou mais vigas. Ela é separada das lâminas superior e inferior por um pequeno espaço vazio (gap), dando origem a dois conjuntos de capacitores de placas paralelas. A flexibilidade das vigas permite que a massa se mova proporcionalmente à aceleração externa e o seu deslocamento é estimado pela variação da capacitância do conjunto. O projeto destes sensores é uma tarefa complexa, já que os seus diversos requisitos de desempenho são, na maioria das vezes, conflitantes, isto é, se o projeto é modificado para melhorar uma característica, as demais são inevitavelmente afetadas e por isso técnicas de otimização devem ser utilizadas na etapa de projeto. Com o intuito de melhorar o desempenho de micro-acelerômetros capacitivos, são então propostas e avaliadas no atual trabalho duas técnicas de otimização distintas, sendo uma delas baseada em Otimização Paramétrica (OP) e a outra no Método da Otimização Topológica (MOT). A OP parte de uma topologia previamente definida e adota algumas de suas características geométricas como variáveis de projeto. Para levar em consideração incertezas nas dimensões e propriedades dos materiais, que é um elemento-chave na concepção e fabricação de dispositivos MEMS, neste trabalho a OP é combinada com o método da Otimização de Projeto Baseado em Confiabilidade ou Reliability-based Design Optimization (RBDO). Análises de confiabilidade de primeira ordem através do Método de Confiabilidade de Primeira Ordem, ou First-Order Reliability Method (FORM), são utilizadas para o cálculo das probabilidades envolvidas nesta formulação. Já o MOT combina o Método dos Elementos Finitos (MEF) e um modelo de material com algoritmos de otimização para encontrar a distribuição ótima de material em um domínio de projeto pré-estabelecido. As variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material em cada ponto do domínio. Na modelagem pelo MEF utiliza-se elementos de placa estrutural do tipo Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC). Exemplos práticos utilizando ambas as abordagens são apresentados e os seus resultados discutidos com o intuito de se avaliar o potencial de cada técnica para o projeto de micro-acelerômetros capacitivos. / Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) are a class of devices that combine mechanical and electronic functions on a micrometric scale. Through the use of microfabrication techniques, adapted from the semiconductor industry, the integration of mobile structures, sensors, actuators and electronics is performed, allowing the implementation of fully miniaturized systems. Electrostatic accelerometers are among the highest volume MEMS products nowadays, with worldwide annual sales topping 100 million units and growing steadily. Bulk-type accelerometers are generally manufactured using three thick silicon wafers, bonded together one on top of the other. The intermediate layer is obtained by etching processes and consists of a big proof mass suspended by one or more beams. It is separated from the upper and lower wafers by a small gap, resulting in two sets of parallel plate capacitors. The flexibility of the beams allows the mass to move proportionally to the external acceleration and its displacement is estimated by the change in capacitance of the set. The design of such sensors is a complex task, since they depend on many performance requirements, which are most often conflicting. If a design is modified to improve one characteristic, others are inevitably affected. Therefore, optimization techniques are regularly used in the design stage of MEMS sensors. Aiming to improve the performance of capacitive micro-accelerometers, in the present work two optimization techniques are presented, the first is based on Parametric Optimization (PO) and the other is the Topology Optimization Method (TOM). The PO starts from a predefined topology and uses some of its geometric characteristics as design variables. In order to account for uncertainties in the dimensions and material properties, which is a key element in the design and fabrication of MEMS devices, in this work the PO is combined with the Reliability-based Design Optimization (RBDO) method. The First-Order Reliability Method (FORM) is applied to calculate the probabilities involved in the RBDO formulation. The TOM combines the Finite Element Method (FEM) and a material model with optimization techniques to find the best constrained material distribution in a fixed design domain. The design variables are the pseudo-densities that describe the amount of material at each point of the domain. The FE model is discretized using the Reissner-Mindlin plate element with the Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC) formulation. Practical examples using both approaches are presented and discussed in order to evaluate the potential of each technique to the design of capacitive micro-accelerometers.

Microsistemas eletrotermomecânicos (ETM) são sistemas em escalas micrométricas que operam baseados na deformação por efeito termoelástico, induzida pelo aquecimento da sua estrutura devido a uma corrente elétrica. Já que é desejável que a sua resposta transiente seja rápida, amortecida e estável ao alcançar equilíbrio e, além disso, conhecendo o fato de que o fenômeno térmico é o mais lento entre os diferentes domínios físicos envolvidos nos microsistemas ETM, faz-se necessário minimizar o tempo de resposta nesse domínio com o fim de melhorar o desempenho do sistema. Isso pode ser obtido pela mudança da sua topologia estrutural. Assim, neste trabalho de mestrado, o Método de Otimização Topológica (MOT) é aplicado no projeto de microsistemas ETM levando em conta a resposta térmica transiente de forma a reduzir o seu tempo de resposta e maximizar o seu deslocamento de saída. O MOT combina técnicas de otimização com o Método de Elementos Finitos (MEF) para distribuir material em um domínio de projeto fixo com o objetivo de extremizar uma função de custo sujeita às restrições inerentes do problema. A modelagem dos microsistemas ETM é obtida resolvendo-se as equações de equilíbrio utilizando o MEF linear com base em elementos de quatro nós isoparamétricos sem considerar dependência das propriedades do material com a temperatura. O problema elétrico é resolvido com uma análise de correntes estacionárias, já no problema transiente térmico, a distribuição de temperatura é uma função variável no tempo. No domínio elástico, a massa e os efeitos de amortecimento são negligenciados, assim, o problema torna-se quase-estático. Na formulação da Otimização Topológica o modelo de material é baseado no método das densidades ou \"Solid Isotropic Microstructure with Penalization\" (SIMP) combinado com um filtro de sensibilidade e duas funções de penalização como técnicas de controle da solução para reduzir os problemas de instabilidades numéricas intrínsecas ao MOT. Os fatores de penalização do SIMP são obtidos mediante um enfoque analítico. A Programação Linear Seqüencial (PLS) e o Método das Assíntotas Móveis ou \"Method of Moving Asymptotes\" (MMA) são usados para resolver o problema de otimização não-linear. Resultados bidimensionais são apresentados com o intuito de ilustrar o método. Além disso, as topologias finais são obtidas mediante um algoritmo de interpretação de forma e os resultados da otimização dinâmica são confrontados com os obtidos por um enfoque estático, que foi implementado somente para fins comparativos. / Electrothermomechanical (ETM) microsystems are systems in micrometric scale which operate based on thermoelastic effect deformation induced by heating the structure by means of an electrical current. Since a fast, damped and stable (at steady state) transient response is desirable with the aim of improving ETM efficiency, it is necessary to minimize the response time of the thermal effect which is the slowest phenomena among different physics involved in the ETM microsystems. This can be achieved by changing the ETM structural topology. Thus, in this work, the Topology Optimization Method (TOM) is applied to ETM microsystems design, taking into account transient thermal response in order to reduce their response time and to maximize their output displacement. The TOM combines optimization techniques with the finite element method (FEM) to distribute material in a fixed design domain in order to extremize a cost function subjected to some inherent constraints of the problem. The modeling of ETM microsystems is obtained by solving the governing equations using the linear FEM based on four-node isoparametric elements. Non-temperature dependent material properties are considered in the finite element models. The electrical problem is solved by considering a steady current static analysis; the transient state thermal problem considers a temperature distribution that varies over time. In the elastic domain, the mass and the damping effects are neglected, thus, resulting in a quasi-static problem. In the Topology Optimization formulation the material model is based on the Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP) model combined with a sensitivity filter and two penalty functions as solution control techniques to reduce mesh dependence and checkerboard problems intrinsic to the TOM. The penalty factors in SIMP are obtained through an analytical approach. Sequential Linear Programming (SLP) and Method of Moving Asymptotes (MMA) are used for solving the non-linear optimization problem. Two-dimensional results are presented to illustrate the method. Moreover, the final topologies are obtained by a shape interpretation algorithm and the dynamic optimization result is compared with steady-state optimization, which is implemented for comparative purposes.

Neste trabalho é proposto um sensor capacitivo do tipo eletrodos interdigitados para avaliação da qualidade de combustíveis automotivos. Os eletrodos interdigitados apresentam algumas características adequadas ao sensor em questão. Entre elas o fato de elevar significativamente a capacitância por apresentar grande quantidade de capacitores em paralelo e de ser uma estrutura possível de se fabricar por processos convencionais de microfabricação. Além disso, esses eletrodos permitem que o combustível preencha seus espaçamentos funcionando como seu dielétrico. Foram feitas modelagens e simulações do sensor para verificação da influência de diversos parâmetros de projeto. Protótipos foram fabricados em substratos de alumina com eletrodos de níquel eletrodepositado. Os eletrodos têm larguras entre 50m e 100m, com espaçamento entre eletrodos tendo valores dessa mesma ordem. O comprimento dos eletrodos é de 800m. A altura dos eletrodos varia entre 20m e 40m. O sensor como um todo tem área em torno de 4cm². Foram realizadas medições com misturas álcool e água, gasolina e álcool, gasolina e querosene entre outras. As caracterizações mostraram bons resultados comprovando a validade do princípio proposto. O sensor se mostrou capaz de detectar os tipos de adulteração mais comuns no Brasil, adição de água ao álcool combustível e adição solventes orgânicos ou de álcool além do permitido à gasolina. / This work proposes a capacitive sensor with interdigitated electrodes in order to evaluate the quality of automotive fuel. Interdigitated electrodes have some interesting features for this type of sensor. Among them, they increase the capacitance by having several capacitors in parallel, and by having a structure feasible to be manufactured by conventional microfabrication processes. In addition, automotive fuel, serving as the dielectric material, fills the gaps of the electrodes. Modeling and computational simulations of the sensor were carried out in order to realize the influence of several design parameters. Samples were manufactured using alumina substrates with electroplated nickel electrodes. The width of the electrodes was chosen to be between 50m and 100m, with gaps of similar size. The paired length of the electrodes was 800m. The height of the electrodes varied between 20m and 40m. The whole sensor was around 4cm² in area. Several measurements were carried out using mixtures of alcohol and water, gasoline and alcohol, gasoline and kerosene, and others. Characterizations showed good results, validating the method. The sensor was capable of detecting the main types of fuel adulteration used in Brazil: addition of water to alcohol, and addition of organic solvents or alcohol to gasoline beyond the acceptable limit.

Neste trabalho foi desenvolvido um estudo sistemático das propriedades estruturais, mecânicas e ópticas de filmes de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-Si1-xCx:H) produzidos pela técnica de deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD) a baixas temperaturas (320°C), utilizando silana (SiH4) e metano (CH4) como gases precursores do silício e carbono, com a finalidade de avaliar sua aplicabilidade em processos de microfabricação. Foram depositadas duas séries de filmes de a-Si1-xCx:H, com e sem diluição de hidrogênio da mistura gasosa, variando alguns parâmetros, como potência de RF, concentração de metano e fluxo de silana. Os filmes depositados com a mistura gasosa diluída em hidrogênio apresentaram valores maiores de módulo de elasticidade, dureza, gap óptico e índice de refração, comparados com os filmes depositados sem a adição de hidrogênio; no entanto esses filmes apresentaram também valores maiores de stress residual, ocasionando deformações e em alguns casos a quebra das microestruturas fabricadas. No caso das amostras depositados sem a adição de hidrogênio na mistura gasosa, os filmes com conteúdo de carbono maior que 45% depositados com baixa densidade de potência (50 mW.cm-2) apresentaram baixos valores de stress residual compressivo (menores que 60 MPa) e, as microestruturas fabricadas com eles mostraram que o material possui uma superfície livre de defeitos e uma excelente aderência ao substrato, mostrando a viabilidade de poder utilizá-lo como material estrutural e de mascaramento em processos de microfabricação. Além disso, esses filmes são transparentes para comprimentos de onda acima de 600 nm na região visível do espectro eletromagnético, apresentando-o como um material promissório para a fabricação de guias de onda. Finalmente, com o incremento da potência de RF para 100 W na deposição do filme quase estequiométrico com a mistura gasosa não diluída em hidrogênio, conseguiu-se duplicar a taxa de deposição para aproximadamente 12 nm/min, incorporando uma maior quantidade de carbono (~57%), porém também aumento o valor do stress residual compressivo para ~267 MPa. No entanto, as estruturas suspensas fabricadas com este material não apresentaram deformações notáveis. / In this work a study of structural, mechanical and optical properties of hydrogenated amorphous silicon carbide (a-Si1-xCx:H) films, obtained by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at low temperatures (320°C), using silane (SiH4) and methane (CH4) as a gaseous precursors of silicon and carbon, respectively is performed, intending to assess their suitability in microfabrication processes. Two series of a-Si1-xCx:H films were deposited, with and without hydrogen dilution of the gaseous mixture, varying parameters, such as RF power, methane concentration and silane flow. The films deposited with hydrogen diluted gaseous mixture showed higher values of elastic modulus, hardness, optical gap and refractive index, compared with films produced without hydrogen dilution; however these films present higher values of compressive residual stress, causing deformations and in some cases cracks in the microstructures utilizing these films as structural material. In the case of the films deposited without hydrogen dilution of the gaseous mixture, those with carbon contents higher than 45% deposited at low power densities (50 mW.cm-2) presented lower values of compressive residual stress (lower than 60 MPa), and the microstructures fabricated with these materials do not show defects in the surface and have a good adherence to the substrate, demonstrating the feasibility of using these materials as structural and masking materials in microfabrication processes. Moreover, these samples are transparent to wavelengths larger than 600 nm in the visible range of the spectrum, making it suitable to the fabrication of waveguides. Finally, with the increase in the RF power to 100 W in the deposition process without hydrogen dilution a sample close to stoichiometry presented an increase in the deposition rate to approximately 12 nm/min and in the carbon content (~57%); however the compressive residual stress also increased. In spite of that, the microstructures fabricated with this material do not show notable deformations.

O presente trabalho teve como foco o desenvolvimento de um software para a simulação de processos de microfabricação em substrato e de microfabricação em superfície baseado em autômatos celulares, o simMEMS. Além disso, visando a futura incorporação de ferramentas para análise das estruturas geradas pelo programa, um módulo com funcionalidades básicas para a análise mecânica de estruturas também foi desenvolvido. No que tange à microfabricação em superfície, o software desenvolvido permite simular a corrosão anisotrópica úmida do Si em KOH e deep reactive ion etching (DRIE). O simulador de corrosão úmida utiliza um autômato celular conhecido como BCA. O simulador de DRIE usa um autômato próprio. Para a simulação dos processos de microfabricação em superfície o software fornece quatro processos: deposição de filmes, corrosão de filmes, fotolitografia e planarização. Para corrosão e deposição de filmes, diversos autômatos celulares da literatura foram analisados e os resultados dessas análises é aqui apresentado. Todos os simuladores, tanto de microfabricação em superfície como em substrato, podem ser utilizados em conjunto. Isso torna o software bastante útil e capaz de simular a fabricação de um grande número de dispositivos. / The main goal of this project is the development of a software capable of simulating both surface and bulk micromachining based on a cellular automata approach. This software has been called simMEMS. In order to enable future versions of the software to also be able to analyze the structures created by the software, a module capable of running a mechanical analysis through the finite element method is also developed. simMEMS allows the user to simulate two bulk micromachining processes: wet anisotropic KOH etching and deep reactive ion etching DRIE. The wet etching simulator uses a cellular automaton known as BCA. The DRIE simulator uses an automaton developed during this project. The surface micromachining simulator allows the user to simulate four types of processes: photolithography, film deposition, film etching and substrate planarization. Several automata for the deposition and etching of films are studied and the results of this study are presented here. All processes, be they for surface or bulk micromachining, can be used on the same substrate to simulate the entire fabrication process for a large array of devices. This makes simMEMS a very useful software.

Orientador: José Maria Campos dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T14:00:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_AndersonHenriqueRodrigues_M.pdf: 13469668 bytes, checksum: 25f9c2a03e6a62e5d1a871b78053c4b1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Este trabalho apresenta uma análise dos problemas físicos associados ao projeto de um sensor inercial giroscópio baseado na tecnologia MEMS (micro-electro-mechanical-system). O dispositivo oferece uma resposta elétrica na forma de uma variação da capacitância devido à força de Coriolis e como consequência obtém-se uma medida da velocidade angular de um sistema. Uma formulação analítica da dinâmica eletromecânica de um giroscópio com dois graus de liberdade é revista e implementada em um programa MATLAB/Simulink (R2011a) ®, onde são obtidas as respostas em deslocamento nos domínios do tempo e da frequência. Para melhorar a capacidade do projeto de sensores inerciais, uma abordagem da análise eletromecânica do giroscópio usando o Método dos Elementos Finitos (MEF) do programa comercial ANSYS 12.0® é apresentada. Neste contexto, dois projetos de giroscópios MEMS encontrados na literatura (giroscópio de ACAR e de NGUYEN) são analisados. Análises estática, modal e harmônica são realizadas e os resultados comparados com aqueles obtidos com os modelos analíticos. A resposta harmônica para o modelo eletromecânico completo de MEF não foi realizada devido à dificuldade de simular análises harmônicas incluindo os elementos de Atuação e Detecção simultaneamente. Para superar este problema o elemento Detector foi substituído por um elemento de mola. Os resultados obtidos no giroscópio de NGUYEN apresentaram boa concordância entre os modelos. Contudo, os resultados com o giroscópio de ACAR apresentaram erros significativos entre os modelos, os quais são oriundos da geometria usada no modelo de MEF que se mostrou flexível em regiões que deveriam ser rígidas. Uma análise estática de diferentes tipos de suspensão elástica para giroscópios MEMS é apresentada no Apêndice B / Abstract: This paper presents an analysis of the physical problems associated with the design of a gyroscope inertial sensor based on MEMS technology (MicroEletroMechanical System). The device gives a response in the form of an electrical capacitance change due to the Coriolis force and as a result obtains a measure of the angular velocity of a system. Analytical formulation of the electromechanical dynamics of a gyroscope with two degrees of freedom is reviewed and implemented in a MATLAB/Simulink (R2011a) ® code, where the displacement responses are obtained in time and frequency domains. To improve the capacity of the inertial sensors design, another electromechanical gyroscope analysis approach using the Finite Element Method (FEM) of commercial software ANSYS ® 12.0 is presented. In this context, two designs of MEMS gyroscopes from the literature (NGUYEN's and ACAR's gyroscopes) are analyzed. Static, modal and harmonic analysis are performed and the results compared with those obtained with the analytical models. The harmonic response for the complete electromechanical model of MEF was not performed due to the inability to run harmonic analysis including Actuator and Detector elements simultaneously. To overcome this difficulty, the Detector element was replaced by a spring element. The results obtained with NGUYEN's gyroscope showed good agreement between the models. However, the results with the ACAR's gyroscope showed significant errors between the models, which are derived from the geometry used in the FEM model, that was flexible to regions that should be rigid. A static analysis of different types of elastic suspension for MEMS gyroscopes are shown in Appendix B / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: José Alexandre Diniz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-20T16:11:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ParoFilho_PedroEmiliano_M.pdf: 39204453 bytes, checksum: 8ea6c789b126029d1ff5b579bdd25102 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Um amplificador de transimpedância (TIA) de ganho variável é apresentado. Implementado em tecnologia 0,18 'mi'm, o projeto relatado possui a finalidade de prover um amplificador de sustentação para osciladores baseados em ressonadores do tipo MEMS (Micro-Electro-Mechanical System). Entre outros, as peculiaridades de projeto envolvem um desafiante compromisso entre Ganho, Largura de Banda, Ruído e Consumo de potência. Sendo assim, o amplificador foi implementado através do cascateamento de quatro estágios de ganho similares, lançando-se mão de realimentação do tipo shunt-shunt para diminuir as impedâncias de entrada e saída. Através do emprego de um estágio de ganho variável, uma alta faixa dinâmica de ganho é alcançada (53 dB), com um ganho máximo de transimpedância de 118 dB'ômega'...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: A variable gain Transimpedance Amplifier (TIA) is presented. Realized in 0.18 'mi'm technology, this amplifier was conceived with the purpose of providing oscillation sustaining for Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) based oscillators. Facing a quite challenging trade-off between Gain, Bandwidth, Noise and Power consumption, the TIA was implemented through the cascade of four similar gain stages, with the application of shunt-shunt feedback to lower both input and output resistances. With the employment of a variable-gain stage, this TIA presents a large gain tunability of 53 dB, with a also large maximum transimpedance gain of 118 dB'omega'...Note: The complete abstract is available with the full electronic document / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Um micromecanismo é, essencialmente, um dispositivo de dimensões milimétricas ou até micrométricas que executa uma tarefa específica como atuar como garra, pinça, grampo, etc. Quando acoplados a um sistema eletrônico, são chamados de sistemas microeletromecânicos ou \"Micro-Electro-Mechanical Systems\" (MEMS). Esses dispositivos são quase todos constituídos por mecanismos flexíveis, onde o movimento é dado pela flexibilidade de sua estrutura, sem juntas e pinos. Uma das formas de atuação de micromecanismos é a eletrotermomecânica, onde uma atuação elétrica sobre o próprio mecanismo é convertida em calor, por efeito Joule, que gera tensões térmicas responsáveis pela deformação estrutural desejada. Recentemente, vários grupos de pesquisa no mundo estão desenvolvendo micromecanismos fabricados com dois (ou até mais) materiais, o que permite obter maiores deformações sem que seja excedido o limite de resistência do material e mais flexibilidade no projeto de micromecanismos que realizem diferentes tarefas quando sujeito a diversas atuações (multiflexíveis). As técnicas de processo de fabricação de micromecanismos atingiram um alto nível de maturidade. No entanto, a modelagem e, em particular, o desenvolvimento de métodos computacionais sistemáticos para o projeto estão ainda no seu estágio inicial. Atualmente, o projeto de micromecanismos com vários materiais vem sendo realizado por métodos de tentativa e erro, dependendo da intuição e experiência do projetista. Além disso, o projeto genérico de um MEMS eletrotermomecânico é uma tarefa complexa, que leva em conta conhecimentos multidisciplinares. Dessa forma, o objetivo desse trabalho de mestrado foi desenvolver um software para o projeto de MEMS multifásicos, atuados eletrotermicamente, usando um método de projeto genérico e sistemático, como o Método de Otimização Topológica (MOT). Utilizando um modelo de interpolação de material de função de pico, qualquer número de materiais pode ser considerado sem que haja aumento na quantidade de variáveis de projeto se comparado à otimização com apenas um material e vazio. Visando maximizar o deslocamento de saída contra uma peça de rigidez conhecida, foram projetados mecanismos atuados por tensão elétrica, alguns considerando multiflexibilidade. Um estudo da influência dos parâmetros da otimização foi realizado. Como uma alternativa à atuação eletrotermomecânica, foram projetados mecanismos atuados por fluxo de calor. / A micromechanism is essentially a device of milimetric, or even micrometric, dimensions that can actuate as a gripper, tweezers, clamp, etc. When coupled to an electronic system, they are called \"Micro-Electro-Mechanical Systems\" (MEMS). Almost all of these devices are constituted by compliant mechanisms, where the motion is allowed by the compliance of its own structure, rather than the presence of joint and pins. One of the forms of micromechanisms actuation is the electrothermomechanical, where an electric actuation applied to the mechanism is converted in heat, by Joule effect, that generates the thermal stress responsible for the desired structural deformation. Recently, many research groups around the world are developing micromechanisms manufactured with two (or even more) materials, what allows larger displacements without exceeding the materials ultimate tensile strength, and gives more flexibility in the design of micromechanisms that accomplish different tasks when under different actuations (multiflexible mechanisms). The manufacturing process techniques of micromechanisms reached a high level of maturity, however, the modelling and, particularly, the development of systematic computational methods for design are still in early stages. Nowadays, micromechanism design with many materials is being carried on by \"try and error\" methods, depending on designer intuition and experience. Also, a generic design of an electrothermomechanical MEMS is a complex task that needs multidisciplinary knowledge. Thus, the objective of this work is to develop a software for the design of multi-phase MEMS, electrothermomechanically actuated, using a method for systematic and generic design, such as Topology Optimization Method (TOM). Using a peak function material interpolation model, any number of materials can be considered without increasing the amount of design variables if compared to an optimization with only one material and void. Mechanisms actuated by electric tension were designed considering the maximization of output displacement against a work piece with known stiffness. The design of microactuators considering multiflexibility was also performed. A study of optimization parameters influence is presented. As an alternative to electrothermomechanical actuation, some mechanisms actuated by heat flow were designed.

Esta tese avalia o potencial de filmes de carbeto de silício (SiC) produzidos por duas técnicas assistidas por plasma, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) e RF magnetron sputtering, para o desenvolvimento de sensores piezoresistivos. Os trabalhos desenvolvidos abrangeram todas as etapas de síntese e caracterização dos filmes, bem como o estudo das etapas de processamento para a confecção de resistores e de sensores de pressão. A técnica de PECVD foi utilizada para produzir um conjunto de cinco amostras de filmes de SiC a partir da mistura dos gases SiH4, CH4 e Ar sob diferentes fluxos de SiH4. A dopagem in situ do filme foi realizada pela introdução do gás nitrogênio durante o processo de deposição. Um conjunto de seis amostras foram produzidas por RF magnetron sputtering de um alvo estequiométrico de SiC (99.5% de pureza) em atmosfera de Ar e N2 sendo que durante as deposições apenas o fluxo de nitrogênio foi variado. Os filmes de SiC obtidos pelas duas técnicas foram submetidos a um processo de recozimento térmico em atmosfera de argônio a 1000C por 1h. As propriedades químicas, estruturais, morfológicas, elétricas, mecânicas e ópticas dos filmes de SiC, antes e após o recozimento, foram estudadas por espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS), espectroscopia Raman, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difração por raios-X (XRD), microscopia de força atômica (AFM), quatro pontas, nanoindentação e medidas de transmissão/ reflexão visando determinar os filmes com características adequadas para o desenvolvimento de sensores. Processos de corrosão por plasma RIE (reactive ion etching) dos filmes depositados utilizando uma mistura dos gases SF6 e O2 também foram estudados para se produzir às estruturas dos sensores. Com o objetivo de estudar as propriedades piezoresistivas dos filmes depositados, foram fabricados resistores de SiC com contatos elétricos de Ti/Au. Um arranjo experimental foi montado para determinar a variação da resistência elétrica do resistor em função da tensão mecânica aplicada. Um resistor de SiC foi colado próximo à extremidade engastada de uma viga de aço em balanço e sobre a extremidade livre foram aplicadas diferentes forças. A resistência elétrica do resistor foi medida para cada força aplicada sobre a viga. Esse experimento possibilitou determinar o coeficiente piezoresistivo e o gauge factor dos filmes depositados. A influência da temperatura sobre a resistência elétrica dos resistores foi avaliada da temperatura ambiente até 250C. Por fim, é apresentada uma metodologia para projeto, fabricação e encapsulamento de um protótipo de sensor de pressão piezoresistivo baseado em filme amorfo de SiC. O protótipo desenvolvido foi testado e apresentou uma sensibilidade média de 2,7 mV/psi.

Nesta dissertação, os principais conceitos de MEMS, suas aplicações, processos de fabricação, componentes e sistemas são abordados. O objetivo desta dissertação é o estudo detalhado de chaves MEMS para aplicações em RF, que apresentam bom comportamento em altas freqüências e com potencial de melhoria em sua banda de operação. Em particular, aprofundou-se o estudo para o caso de uma chave MEMS de membrana capacitiva paralela sobre um guia de onda coplanar ou CPW - Coplanar Waveguide. O objetivo foi o de ampliar sua banda de operação, mantendo-se outras especificações inalteradas. Partindo-se de uma chave com banda de operação nula para critérios de perda de retorno e isolação mínimas iguais a 20 dB, com alteração na geometria da chave foi possível obter-se uma banda de 28 GHz e posteriormente ampliá-la para 31 GHz, praticamente sem alteração nas demais características elétricas. / In this thesis, the main concepts of MEMS, their application, fabrication processes, components and systems are addressed. The objective of the thesis is a detailed study of MEMS switches for RF applications, that present good performance at high frequencies and with a potential for bandwidth improvement. More specifically, the study was deeply conducted for shunt capacitive membrane MEMS switches over CPW - Coplanar Waveguide. In this case, the objective was to enlarge the operation bandwidth, keeping the other specifications unchanged. Starting with a switch with null operational bandwidth for criteria of minimum return loss and isolation of 20 dB, after a modification in the switch geometry, it was possible to obtain an operational bandwidth of 28 GHz and then to enlarge it to 31 GHz, keeping almost unchanged the other electric characteristics.