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dalla temperatura e da altre condizioni ambientali. Inol- tre, i microfoni a elettrete possono anche essere sensibili all’accelerazione. Microfoni MEMS capacitivi integrati Nel primomicrofono a condensatore di silicio con FET inte- grato, la membrana del microfono funge da gate del FET ed è collegata elettricamente alla sorgente tramite la tensione gate-source. In un altromicrofono a condensatore al silicio con FET integrato, i progettisti si sono concentrati sull’au- mento della sensibilità del microfono prestando attenzio- ne alla costruzione della membrana e al traferro. Questo progetto è stato ulteriormente migliorato in termini di di- mensioni, stabilità e facilità del processo di fabbricazione. Molti altri studi di ricerca hanno affrontato la necessità di migliorare i microfoni integrati. I microfoni con FET integrati hanno il vantaggio di avere una bassa impedenza di uscita; tuttavia, soffrono di livelli di rumore elevati. Microfoni MEMS capacitivi con prestazioni avanzate Per descrivere il comportamento del microfono è neces- sario eseguire un modello semplificato a causa della com- plessità dei componenti meccanici, elettrici e acustici ac- coppiati. A questo scopo, sono stati pubblicati numerosi articoli di ricerca utilizzando ampiamente lamodellazione. Inoltre, è necessario un elevato grado di miniaturizzazione di questi dispositivi per potenziare le loro applicazioni nelle industrie MEMS. Per ridurre le dimensioni sono necessari nuovi approcci di progettazione e processi di fabbricazione migliorati. Per ottenere ciò, è stato sviluppato un micro- fono a condensatore con dimensioni laterali e diaframma in nitruro di silicio di ridotto spessore polarizzato da una tensione esterna di circa 30 V. Sebbene siano state ridotte le dimensioni del dispositivo, questo tipo di microfono presenta ancora una sensibilità inferiore e una scarsa risposta in frequenza rispetto al mi- crofono a elettrete. Le scarse prestazioni in termini di frequenza e sensibilità sono dovute principalmente alla resistenza causata dall’a- ria intrappolata tra il diaframma e la piastra posteriore dell’elettrodo. Una perforazione nella piastra posteriore o nel diaframma è lo schema più idoneo per ridurre questa resistenza dell’aria. Soluzioni analitiche di smorzamento del film di compressione nei dispositivi con piastra poste- riore perforata sono state presentate successivamente. La rugosità superficiale può influenzare lo smorzamento del film di compressione. La posizione dei fori nella piastra posteriore ha più effetto rispetto al numero di fori. Per indebolire la resistenza dell’aria, è stato suggerito un microfono con un numero maggiore di fori di ventilazione nella piastra posteriore dell’elettrodo. Questo microfono ha mostrato una risposta in frequenza piatta nella banda di frequenze 2-20kHz. Questo dispositivo ha ancora una sensibilità inferiore e deve essere ulteriormente ridotto in termini di dimensioni. Un altro progetto proposto prevede la modifica non solo del numero di fori, ma anche del dia- metro dei fori, posti ciascuno al centro dellamembrana per ridurre l’intrappolamento dell’aria e migliorare la sensibi- lità e la risposta in frequenza. Hanno anche dimostrato che con l’aumento delle dimensioni della membrana aumenta l’effetto del foro centrale. Per migliorare la sensibilità, è stato proposto un diaframma avente fessure lungo i bordi. I ricercatori hanno studiato un diaframma circolare con e senza fessure ai bordi, in cui il diaframma con fessure mo- stra un SNR (il rapporto segnale/rumore) migliore. Quando la membrana di un microfono viene deflessa, l’area effet- tiva per la variazione di capacità diminuisce, provocando una diminuzione della sensibilità. Per superare questo problema, i ricercatori hanno suggerito due membrane collegate, in cui la prima parte era esposta alle onde acu- stiche, mentre la seconda, attaccata al centro della prima parte, funge da elettrodo mobile. In figura 3 un esempio di un microfono MEMS prodotto da TDK. Per un’esperienza di acquisizione vocale più chiara e una facile integrazione in altri dispositivi portatili, audio di alta qualità e ingombro ridotto per i microfoni MEMS sono i requisiti nella prospettiva futura e devono essere affron- tati negli studi di ricerca. L’integrazione di un microfono omnidirezionale con il microfono a gradiente di pressione su un comune substrato di silicio potrà essere realizzata in progetti futuri. In questi progetti, il microfono omnidire- zionale può contribuire ad acquisire le informazioni sulla pressione sonora, mentre il microfono a gradiente di pres- sione può svolgere il compito di localizzazione della sor- gente sonora. Questo tipo di progetto ibrido può essere un buon candidato negli apparecchi acustici intelligenti in cui l’utente può modificare la risposta della direttività da om- nidirezionale a direzionale se si trova in un ambiente in cui il rumore di fondo influenza il riconoscimento vocale. TECH FOCUS MEMS Fig. 3 – Un microfono MEMS di TDK ELETTRONICA OGGI 515 - GENNAIO/FEBBRAIO 2024 42