Modelling and simulation of piezoelectric microspeakers

The field of acoustics is rapidly evolving thanks to the development of new MEMS speakers, able to be integrated in many devices of common use. This work has been carried out within the collaboration of the department of Civil and Environmental Engineering of Politecnico di Milano and STMicroelectronics, leader in the fields of electronics and semiconductors. The scope of this manuscript is the design, modelling and simulation of new piezoelectric miscrospeakers, that could be fabricated for in-ear applications. Three different piezoelectric designs and some possible modifications have been simulated using the commercial software COMSOL Multiphysics 6.0. In the first design, a piston is actuated to produce the sound wave. The impact of different geometries and the addition of rigid elements on the acoustic response has been analysed. The addition of rigid elements proved effective in increasing the SPL at lower frequencies by reducing the acoustic short-circuit and increasing the piston effective area. The second design takes a different approach, using an array of ultrasonic devices with no mechanical resonance in the audible range. The addition of a rigid element allowed to limit the low frequency acoustic losses, also for this device. A new redesign of the microspeaker, able to increase the acoustic performances on the whole frequency spectrum, has also been presented. The last design is an ultrasonic device, that can obtain a flat frequency response for a very wide portion of the band. Finally, the effects of a protective package and of the hole dimensions within such package, have been explored. The holes can behave like Helmholtz resonators, affecting the acoustic response. However, this proved relevant only for smaller holes. Also, increasing the number of holes, limits the effects on the acoustic response.

Il campo dell’acustica è in rapida evoluzione grazie allo sviluppo di nuovi altoparlanti MEMS che possono essere integrati all’interno di tantissimi dispositivi di uso comune. Questo lavoro di tesi è stato svolto all’interno del progetto di collaborazione del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano con STMicroelectronics, azienda leader nel settore dell’elettronica e dei semiconduttori. Lo scopo di questo elaborato è quello di progettare, modellare e simulare dei nuovi microspeaker piezoelettrici per applicazioni in-ear. Usando il software commerciale COMSOL Multiphysics 6.0, sono stati simulati tre dispositivi piezoelettrici differenti e diverse possibili modifiche sono state esplorate. Nel primo design, un pistone viene utilizzato per produrre il suono. L’impatto sulla risposta acustica di diverse geometrie e dell’introduzione di elementi rigidi è stato analizzato. Il ruolo degli elementi rigidi è quello di aumentare l’SPL a basse frequenze, riducendo le perdite dovute al corto-circuito acustico, ma anche quello di aumentare l’area effettiva del pistone. Il secondo dispositivo analizzato è composto da un set di tre speaker ultrasonici, privi di risonanze meccaniche nella regione dell’udibile. L’aggiunta di un elemento rigido vicino alle zone di intaglio è in grado di ridurre le perdite alle basse frequenze, anche in questo caso. Poi, un nuovo riadattamento dello speaker in grado di aumentare le performances in tutta la banda viene presentato. L’ultimo dispositivo è un microspeaker ultrasonico in grado di mantenere una risposta piatta per la maggior parte dello spettro acustico. Infine, gli effetti di un possibile cappuccio protettivo e delle dimensioni dei fori in tale cappuccio vengono analizzati. I fori si comportano come risonatori di Helmholtz, ma la risonanza acustica è rilevante solo per fori piccoli. Inoltre, aumentando il numero di fori, è possibile limitarne l’effetto sulla risposta in frequenza.