Modeling and optimization of piezoelectric MEMS microspeakers

The development of new MEMS speakers plays a significant role in the field of acoustics, leading to the continuous integration of many common-use devices. This manuscript focuses on the design, simulation, and optimization of piezoelectric microspeakers for in-ear applications. The modeling procedure is performed with the use of commercial software COMSOL Multiphysics 6.0 to simulate different piezoelectric designs and modifications, and in the final section measurements on a real prototype are provided for a validation of the presented designs. The presented 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. In a first instance, the project addresses the characteristics of a well-known application in literature, consisting of four triangular cantilevers actuated for sound production. In spite of the good acoustic performances, the structure is too sensitive to induced stresses developed during the production phase and to the acoustic degradation of the membrane at high driving voltages. The manuscript proposes an optimization strategy through innovative designs that are mechanically and acoustically stable. The work presents a design for producing sound waves through the actuation of a piston, which offers more structural stability. A set of parameters is determined to accurately predict acoustic performance. The study also analyzes the impact of different geometries on the acoustic response and demonstrates the effectiveness of a redesigned connecting spring in increasing the sound pressure level (SPL) at lower frequencies. Two additional designs are proposed using a similar approach inspired by existing effective devices. The piston microspeaker redesign improves acoustic performance across the frequency spectrum. A last design consisting in a a circular piston with reduced dimensions is shown to provide flat frequency response for a wider portion of the band and reach the acoustic performances of the fixed target. Finally, a prototype of the piston design is realized and acoustic performances are evaluated. The study explores the effects of coupling with a human ear simulator in testing conditions, and the good agreement between simulations and real measurements validates the presented models. The obtained results are comparable with available commercial speakers.

Il campo dell'acustica è in rapida evoluzione grazie allo sviluppo di innovtivi altoparlanti sviluppati con tecnologia MEMS. Tali dispositivi consentono di realizzare prodotti integrati ad alte prestazioni. Questo lavoro è stato svolto nell'ambito della collaborazione del dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano e di STMicroelectronics, leader nei settori dell'elettronica e dei semiconduttori. Il manoscritto si concentra sulla progettazione, simulazione e ottimizzazione di microspeaker piezoelettrici per applicazioni in-ear. La procedura di modellazione viene eseguita con l'uso del software commerciale COMSOL Multiphysics 6.0 per simulare i diversi progetti proposti e le conseguenti modifiche. Le misurazioni finali su un prototipo reale confermano la validità delle simulazioni. Il progetto affronta in prima istanza la sensibilità di un'applicazione ben nota in letteratura, costituita da quattro cantilever triangolari azionati per la produzione del suono, alle sollecitazioni indotte durante la produzione e al degrado della membrana ad alte tensioni di pilotaggio. Il manoscritto propone una strategia di ottimizzazione attraverso design innovativi, meccanicamente ed acusticamente più stabili. Il lavoro prosegue con la presentazione di un modello per produrre onde sonore attraverso l’attuazione di un pistone quadrato vincolato tramite ingegneose molle a dei cantilever piezoelettrici. La nuova configurazione presenta maggiore stabilità strutturale. Un insieme di parametri viene determinato per predire accuratamente le prestazioni acustiche. Lo studio analizza anche l’impatto di diverse geometrie sulla risposta in frequenza e dimostra l’efficacia di una molla di collegamento riprogettata per l'aumento del livello di pressione sonora (SPL) alle basse frequenze. In seguito, vengono proposti altri due design che utilizzano un approccio simile al modello a pistone. L'origine concettuale proviene da dispositivi performanti già presenti nel mercato industriale. In particolare, dal punto di vista delle prestazioni, la riprogettazione del microspeaker con differenti geometrie migliora le prestazioni acustiche su tutto lo spettro di frequenza. Infine, viene presentato un ultimo design composto da un pistone circolare con dimensioni ridotte che garantisce una risposta in frequenza piatta per una porzione più ampia della banda e raggiunge le prestazioni acustiche del target prefissato. Infine, differenti prototipi basati sul design del modeli a pistone sono stati reaizzati e testati. Lo studio esplora anche gli effetti dell’accoppiamento con un simulatore dell'acustica aurale umana durente la fase di misurazioni reali. La buona corrispondenza tra simulazioni e misurazioni convalida i modelli presentati. Inoltre le performance acustiche del dispositivo MEMS realizzato sono paragonabili ad altre applicazioni presenti sul mercato.