Design, multiphysics modeling and experimental characterization of a piezoelectric MEMS loudspeaker for In-ear applications

Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) represent one of the most promising technologies of the 21st century, being used in countless applications ranging from sensing (e.g. gyroscopes, accelerometers, magnetometers), to timing (e.g. resonators) and actuation (e.g. microactuators, micro-mirrors). Acoustic MEMS have seen a fast increase in interest over the last years, due to the exponentially increasing market demand for portable audio devices to become smaller and smaller. After the successful establishment of MEMS microphones as state-of-the-art solution for mobile applications, more and more attention is paid to the field of MEMS speakers, as they promise lower power consumption, smaller dimensions and cheaper mass production with respect to traditional microspeakers. The piezoelectric actuation principle, thanks to the relatively large driving force achievable at low voltages, has been recognized as the most promising implementation of loudspeakers at the microscale. Despite a significant number of new structures have been proposed in the recent years, MEMS loudspeakers struggle to be competitive in terms of performances compared to the non-MEMS counterpart for free field applications. Whereas, some piezoelectric MEMS speakers for in-ear applications have been demonstrated to comply with the market requirements. For this configuration in fact, the pressure chamber effect due to the closed volume defined by the ear canal, allows the generation of high Sound Pressure Level (SPL) without excessive deflections of the mechanical diaphragm. Despite a significant number of promising proof-of-concepts, research work is still needed both at the design level, in order to obtain full-range microspeakers with good sound quality, and at the simulation level, to accurately capture the linear and nonlinear responses of this type of devices. In this work, the design, modeling and characterization of an high performance piezoelectric MEMS speaker for in-ear applications, based on a piston-like movement of the microspeaker central component, actuated through a set of folded springs, is proposed. The device features a Sound Pressure Level (SPL) greater than 110dB from 500Hz onwards for actuation voltages of 30Vpp and a compact footprint of 4.5x4.5mm2. Even if at a prototype stage, the proposed device represents a promising solution towards a new set of high performances piezo-MEMS speakers that do not require further additional closing membranes to minimize acoustic losses. On the simulation side, a small-signal lumped-parameters equivalent circuit for a fast and accurate modeling of piezo-MEMS speakers for arbitrarily complex geometries is proposed. Special attention is paid to the air-gaps modeling, by taking into account the acoustic shortcircuit between the speaker front and rear sides. The proposed equivalent circuit is then extended to the nonlinear regime with the inclusion of the piezoelectric hysteretical behaviour for the estimation of Total Harmonic Distortion (THD). The very good matching between the equivalent circuit predictions and experimental data demonstrates the ability of the proposed methods to accurately simulate the speaker performances, thus representing a fast tool for the design of this class of MEMS speakers.

I Micro Sistemi Elettro-Meccanici (MEMS) rappresentano una delle più promettenti tecnologie del ventunesimo secolo, essendo utilizzati in innumerevoli applicazioni che vanno dal sensing (e.g. giroscopi, accelerometri, magnetometri), al timing (e.g. risonatori), all’attuazione (e.g. microattuatori, micro-specchi). Negli ultimi anni, la ricerca nel campo degli altoparlanti MEMS ha visto un notevole sviluppo, a causa dell’aumento esponenziale della domanda di mercato che richiede dispositivi audio mobile sempre più piccoli. A seguito del successo dei microfoni MEMS come soluzione all’avanguardia per le applicazioni mobile, viene prestata sempre più attenzione al campo degli altoparlanti MEMS, in quanto promettono un ridotto consumo energetico, dimensioni ridotte e una produzione di massa efficiente dal punto di vista dei costi rispetto ai micro-altoparlanti tradizionali. Il principio di attuazione piezoelettrico è stato individuato come l’implementazione più promettente di altoparlanti alla microscala, grazie alla forza di attuazione relativamente grande ottenibile a bassi potenziali. Nonostante un numero significativo di nuove strutture siano state proposte negli ultimi anni, gli altoparlanti MEMS faticano ad essere competitivi in termini di prestazioni rispetto alla controparte non MEMS. Al contrario, alcuni altoparlanti MEMS piezoelettrici per applicazioni in-ear hanno dimostrato di garantire le prestazioni richieste dal mercato. In questa configurazione, infatti, l’effetto di camera a pressione dovuto al volume chiuso definito dal condotto uditivo consente la generazione di elevati livelli di pressione sonora, senza eccessivi spostamenti del diaframma meccanico dell’altoparlante. Nonostante un numero significativo di prototipi promettenti sia stato presentato in letteratura, molto lavoro è ancora necessario sia a livello di progettazione, al fine di ottenere micro-altoparlanti efficienti su tutta la banda audio con una buona qualità del suono, sia a livello di simulazione, per predire in modo accurato la risposta lineare e non lineare di questo tipo di dispositivi. In questo lavoro viene proposta la progettazione, modellazione e caratterizzazione sperimentale di un altoparlante MEMS piezoelettrico ad alte prestazioni per applicazioni in-ear, basato su un movimento a pistone della componente meccanica centrale, attuata tramite una serie di travi elastiche piegate. Il dispositivo è caratterizzato da un livello di pressione sonora superiore a 110dB per frequenze superiori a 500Hz, con tensioni di attuazione di 30Vpp e un ingombro compatto di 4.5x4.5 mm2. Pertanto, anche se a allo stadio prototipale, il dispositivo proposto rappresenta una soluzione promettente per altoparlanti MEMS ad attuazione piezoelettrica ad alte prestazioni, che non richiedono membrane di chiusura aggiuntive per la riduzione delle perdite acustiche. Per quanto riguarda la simulazione, nella presente tesi viene proposto un circuito equivalente a parametri concentrati per una modellazione rapida e accurata della risposta lineare di altoparlanti MEMS piezoelettrici con geometrie arbitrariamente complesse. Particolare attenzione è rivolta alla modellazione dell’effetto del corto-circuito acustico, indotto dalla presenza di piccole fessure che separano le componenti meccaniche dell’ altoparlante. Il circuito equivalente proposto viene poi esteso al campo nonlineare grazie all’introduzione dell’isteresi piezoelettrica, al fine della predizione della distorsione armonica. L’ottimo accordo tra le predizioni numeriche e i dati sperimentali dimostra la capacità dei modelli proposti di simulare accuratamente le prestazioni di altoparlanti MEMS ad attuazione piezoelettrica; tali modelli rappresentano quindi uno strumento rapido per la progettazione di questa classe di dispositivi.