Piezoelectric MEMS microspeakers for in-ear applications

MEMS microspeakers, presenting an enhanced efficiency and scalability compared to conventional speakers, can be seamlessly incorporated into a wide array of portable electronic devices whilst meeting the demands of the continuously evolving market. In this study, various designs of piezoelectric MEMS microspeakers, using PZT as the actuation material, are optimized and simulated in-ear conditions. Simulations are performed using mbox{COMSOL} Multiphysics 6.0 software. This work is a collaboration between the Department of Civil and Environmental Engineering of Politecnico di Milano and STMicroelectronics, leader in the semiconductor and electronics industries. The proposed designs are based on the spring-piston model which allows for a greater degree of movement in the out-of-plane direction, enhancing Sound Pressure Level (SPL). Furthermore, this model leads to the production of higher quality sound waves compared to the cantilever model. For evaluating the performance, a set of parameters is defined based on measurable quantities. The main objective is to improve the SPL response specifically at low frequencies where MEMS devices are known to under-perform. Other parameters include the resonance frequency, the effective area of the device, and the maximum displacement of the diaphragm. The reported designs can be divided into 3 categories: square membrane, circular membrane, and octagonal membrane. An identical frame is used for the 3 membranes types with an equivalent footprint of 4.5x4.5 mm^2. A design proposed in the literature is chosen as a reference, subsequently other modifications and improvements are proposed, tested, and then discussed. The highest SPL measured in-ear conditions at 100 Hz is 111.71 dB for a circular membrane. The applied voltages are 15 V_DC and 15 V_AC, with a total capacitance equivalent to 30 nF. All the devices portrayed a flat frequency response at low frequencies thanks to the use of a 5 um airgap. Following the FEM simulations, experimental tests conducted on one of the designs validated the FEM models. The obtained results are comparable to commercially available speakers.

I microspeakers MEMS, caratterizzati da una migliore efficienza e scalabilità rispetto agli speaker convenzionali, possono essere utilizzati in una vasta gamma di dispositivi elettronici portatili e al contempo mantenere gli elevati standard di un mercato in continua evoluzione. In questo studio, vari design di microspeaker MEMS ad attuazione piezoelettrica sono stati ottimizzati e simulati in condizioni di utilizzo. Le simulazioni sono state eseguite utilizzando COMSOL Multiphysics 6.0. Questo lavoro nasce da una collaborazione fra il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano e STMicroelectronics, leader nell’industria elettronica e dei semiconduttori. I design proposti si basano sul modello molla-pistone, che consente ampi range di spostamento nella direzione perpendicolare al piano, migliorando il livello di pressione sonora (SPL). Inoltre, questa soluzione restituisce una miglior qualità delle onde sonore rispetto al modello a mensola. Per valutarne le prestazioni, un set di parametri è definito in base a delle quantità misurabili. L’obiettivo principale è migliorare l’SPL, particolarmente alle basse frequenze, dove i device MEMS sono generalmente meno efficienti. Gli altri parametri sono la frequenza di risonanza, l’area effettiva del dispositivo, e lo spostamento massimo del diaframma. I design riportati possono essere divisi in 3 categorie: membrane quadrate, circolari e ottagonali. Lo stesso frame è usato per tutte e 3 le membrane, con un’impronta equivalente di 4.5x4.5 mm^2. Uno dei design presenti in letteratura è stato scelto come riferimento, successivamente sono stati proposti alcuni miglioramenti. Il miglior livello di SPL ottenuto in condizioni di utilizzo a 100 Hz è pari a 111.71 dB per una membrana circolare. È stata applicata una differenza di potenziale di 15 V_DC e 15 V_AC, con una capacità equivalente di 30 nF. Tutti i dispositivi mostrano una risposta in frequenza piatta alle basse frequenze, grazie alla presenza di un gap d’aria di 5 um. A seguito delle simulazioni FEM, test sperimentali sono stati condotti su uno dei design per validare i risultati numerici. I risultati e le prestazioni ottenute sono comparabili a quelli di speaker disponibili in commercio.