Modellazione e simulazione di microspeakers piezoelettrici per applicazioni in-ear

MEMS are a Silicon based technology which has been developed in the last decades and that has been able, in a very short time, to revolutionize both the industrial and the fast-moving consumer goods worlds. The presence of those devices is now almost essential in most of the technological applications. This master’s thesis work was conducted as result of a collaboration between the Department of Civil and Environmental Engineering of Politecnico di Milano and STMicroelectronics, leader in the production of semiconductor electronic components. In the present work the world of acoustic actuators for in-ear applications is considered; in this field of applications the interest in studying miniaturized devices with good power efficiency and great performances is increasing. Models of micro-actuators studied in the state of the art were built using the software: COMSOL Multiphysics. Once the microspeakers modelling methodology was clarified, it was applied for the study of new configurations of piezoelectric devices, designed taking inspiration from the oriental technique of kirigami. The obtained results show the resonance modes and the frequency response of the studied devices. Microspeakers of 4x4 [mm2] with several vibration modes, both at high and low frequency, able to generate acoustic pressure in the audible band were studied. The frequency response curves turn out to be on lower levels compared to the ones of the devices taken as a reference. Future developments may foresee the patterning of the piezoelectric material’s geometry and thickness to optimize the efficiency of the actuation method.

I MEMS sono una tecnologia a base di Silicio sviluppata negli ultimi decenni che è stata capace, in breve tempo, di rivoluzionare sia il mondo industriale sia quello dei beni di largo consumo. La presenza di questi dispositivi, infatti, risulta essere ormai inevitabile nella quasi totalità delle applicazioni tecnologiche. Questo lavoro di tesi è stato condotto a seguito di una collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano e la società STMicroelectronics, leader nella produzione di componenti elettronici a semiconduttore. Nell’elaborato si prende come riferimento il mondo degli attuatori acustici per applicazioni in-ear, anche in questo ambito, infatti, la ricerca di dispositivi miniaturizzati con una buona efficienza energetica e con alte prestazioni è in costante aumento. Utilizzando il software COMSOL Multiphysics sono stati modellati alcuni micro-attuatori presentati in letteratura. La metodologia appresa nella modellazione di microspeakers è stata utilizzata per proporre nuove configurazioni di dispositivi ad attuazione piezoelettrica, ideate prendendo ispirazione dalla tecnica orientale dei kirigami. I risultati ottenuti mostrano i modi di risonanza e le risposte in frequenza dei dispositivi studiati. Sono stati ottenuti alcuni dispositivi dell’estensione di 4x4 [mm2] con più modi di vibrazione utili alla generazione di pressione acustica nella banda dell’udibile, situati sia alle alte che alle basse frequenze. Le curve di risposta in frequenza risultano essere a livelli inferiori rispetto ai dispositivi di riferimento. Fra gli sviluppi futuri dei dispositivi proposti si prevede la modifica della geometria dello strato di materiale piezoelettrico in modo da ottimizzare l’efficienza del metodo di attuazione.