Trasduttori audio sempre più Mems

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Come è noto, le onde acustiche creano fluttuazioni di pressione nell’aria che, quando hanno una frequenza che va circa 20 Hz a 20 kHz, sono captate dalle nostre orecchie, mentre in elettronica di ciò se ne occupano i microfoni. Questi ultimi sono oggi prevalentemente fabbricati con una membrana piezoelettrica che, colpita dalla pressione acustica, si deforma e cambia la capacità ai suoi morsetti, consentendo la trasformazione dei suoni e dei rumori in segnali elettrici tempovarianti con stessa forma d’onda. Rispetto ad altre tipologie di trasduzione audio, l’effetto piezoelettrico è attualmente la soluzione più competitiva ma, ciononostante, soffre di una risposta dinamica non sempre soddisfacente perché considerata un po’ lenta e responsabile di distorcere la linearità dei segnali durante la conversione dalla forma acustica a quella elettrica.

Fig. 1 – Una struttura Nems sperimentata da Matteo Rinaldi ai NemsLab dimostra i vantaggi dell’uso del grafene per i sensori piezoelettrici con risoluzione a livello molecolare da utilizzarsi nelle applicazioni medicali

Va considerato che nelle onde acustiche la velocità di propagazione dipende anche dalla densità dell’aria che attraversano e dall’intensità con cui sono generate e perciò, durante la propagazione, possono esserci effetti distorsivi sui suoni, che vengono deformati nelle loro componenti armoniche dal rumore. A ciò va aggiunto che i piezoelettrici difettano innanzi tutto nella fedeltà di cattura delle tonalità basse dei suoni e poi, anche alle frequenze degli ultrasuoni nell’ordine dei MHz e perciò non possono essere utilizzati in questo tipo di applicazioni.

Fig. 2 – I trasduttori Mems capacitivi a ultrasuoni sviluppati all’IPMS di Dresda hanno sensibilità da 1 a 50 MHz e sono particolarmente adatti per gli strumenti di ecografia medicale

C’era quindi necessità di un passo avanti, che è avvenuto solo negli ultimi anni, grazie all’impetuoso sviluppo delle tecnologie di fabbricazione dei sistemi micro elettromeccanici, i MEMS, con cui si possono realizzare membrane deformabili di silicio e comandarle sia per acquisire i segnali acustici sia per generarli. Le dimensioni possono essere scelte in base ai requisiti di potenza dei suoni da ricevere o generare, ma la risposta dinamica risulta comunque molto maggiore rispetto ai piezoelettrici e perciò la qualità audio ottenibile può definirsi senza dubbio hi-fi.

Oggi i microfoni Mems stanno conquistando gli smartphone e i tablet, che ne incorporano sempre almeno quattro o cinque per poter acquisire anche il rumore ambientale e cancellarlo, per ottenere segnali voce e audio ad alta definizione. Più recentemente, nei terminali mobili si stanno affermando anche gli altoparlanti Mems di nuova generazione, che sono in grado di offrire a basso costo prestazioni audio hi-fi insieme a una preziosa flessibilità d’impiego.

La tecnologia Mems rende i microfoni e gli altoparlanti più robusti e perciò ne consente anche l’uso automotive a bordo dei cruscotti, per implementare il comando vocale delle funzioni, ma l’elevata affidabilità e la relativa semplicità di fabbricazione hanno indotto i ricercatori a studiare anche come diminuirne ulteriormente le dimensioni e realizzare sensori Nems, o nano elettromeccanici, utilizzando le pregevoli doti meccaniche di robustezza ed elasticità del grafene che, grazie alla sua leggerezza, consente di ottenere frequenze vibrazionali elevatissime e già sperimentate nell’ordine del GHz.

Fig. 3 – È concepito come un interferometro ottico realizzato con una struttura Mems il microfono omnidirezionale che Silicon Audio offre con un rapporto segnale/rumore di 80 dB

Un team, molto avanti in proposito, è capitanato dal professor Matteo Rinaldi nei NemsLab della Northeastern University del Massachusetts e ha già realizzato un risonatore piezoelettrico in nitruro di alluminio e grafene con una sensibilità che consente di sviluppare applicazioni medicali con risoluzione a livello molecolare. Intanto, al Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPMS) di Dresda hanno approfondito lo sviluppo dei Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer, CMUT, o trasduttori capacitivi a ultrasuoni, che sono già molto diffusi negli strumenti per l’ecografia medicale. In questi Mems c’è una membrana micro meccanica che può deformarsi e oscillare, sia per captare le onde acustiche e trasformarle in segnali elettrici, sia viceversa per generare le onde sonore.

Sono al tempo stesso microfoni e altoparlanti e possono perciò emettere ultrasuoni e riceverne l’eco, che cambia in frequenza secondo la distanza percorsa e consente di rilevare le conformazioni con risoluzione nell’ordine dei millimetri. Inoltre, poiché gli ultrasuoni non sono udibili e nemmeno nocivi su gran parte dei nostri organi, hanno come target principale proprio le applicazioni medicali. I nuovi Cmut Mems sviluppati all’IPMS hanno un range di acquisizione ultrasonica che va da 1 a 50 MHz e dimensioni inferiori ai 100 µmetri, con una struttura modulare che ne consente l’implementazione in array per la cattura di fino a 256 canali.

Fig. 4 – Misura 1 x 2 mm il piezoelettrico Mems che Silicon Audio usa nel suo nuovo microfono direzionale per rilevare le onde acustiche che giungono perpendicolarmente e filtrare rumori, suoni e voci ambientali

Microfoni “ottici”

Silicon Audio progetta, produce e commercializza trasduttori di suoni basati su elementi micro meccanici, realizzati con materiali innovativi in grado di offrire un’elevata risposta dinamica e un elevato rapporto segnale/rumore anche alle alte frequenze e per svariati utilizzi, fra cui l’automazione industriale, la sensoristica medicale e la sismografia. Il microfono omnidirezionale concepito dai suoi ricercatori nella locale Università del Texas di Austin è realizzato come un interferometro ottico che sfrutta un beam splitter per dividere in due la luce di un laser a semiconduttore.

Poi, solo uno dei due fasci illumina la membrana deformabile, che riceve le onde acustiche e va a riflettersi su un sensore ottico, dove giunge direttamente anche l’altro fascio in modo tale da consentire di misurare l’interferenza che risulta correlata al movimento vibrazionale della membrana. Questo approccio consente di rilevare le onde sonore con un rapporto SNR di 80 dB, molto superiore rispetto a ogni altra tecnologia e indipendentemente dall’intensità della pressione sonora. Inoltre, la struttura Mems è molto robusta e fabbricabile a basso costo.

Fig. 5 – Nel microfono Vesper VM101 c’è una struttura Mems quadrata con quattro piezoelettrici separati da un’intercapedine a X che li lascia liberi di deformarsi ma ne impedisce il contatto

Il microfono direzionale Silicon Audio viene invece realizzato con una barretta di piezoelettrico di appena 1 µm di spessore, posta ad altalena su un perno centrale, in modo tale da rilevare le differenze di pressione fra le due estremità e perciò le onde acustiche che vi giungono perpendicolarmente e non quelle che arrivano con altre direzioni. La struttura Mems del sensore misura 1 x 2 mm e può quindi essere installata, per esempio, a fianco del microfono primario negli smartphone per eliminare rumori, suoni e voci ambientali migliorando l’udibilità dei parlatori che si trovino circondati dal frastuono.

Fra le innovazioni di questa società c’è anche un isolatore acustico, o Acoustic Circulator, che consente di isolare un sensore e un generatore a ultrasuoni fino a 40 dB, in modo tale da farli lavorare con un’unica apertura e in una sola direzione e ottenere un sonar compatto a elevata definizione. Attualmente, i ricercatori texani stanno sviluppando un sensore Mems fatto con un materiale ferroelettrico e in grado di rilevare la pressione e il gradiente di velocità dell’aria nelle due direzioni della sua superficie esterna. Lo Shear Sensor ha una risposta dinamica di 1 MHz e sopporta fino a 900 °C di temperatura e può quindi essere utile montato sugli aerei o sulle turbine per monitorarne l’aerodinamicità.

Fig. 6 – VM101 è omnidirezionale, consuma 1,8 V @ 150 µA, ha un rapporto SNR di 68 dB e insieme all’Asic di comando occupa 3,35 x 2,5 x 0,96 mm e fornisce direttamente in uscita una tensione analogica con la stessa forma d’onda del segnale acustico rilevato

Piezoelettrici Mems

Vesper è stata fondata da due ricercatori dell’Università del Michigan che hanno migliorato le prestazioni dei microfoni piezoelettrici utilizzando un approccio Mems, che consente di convertire direttamente le onde acustiche in segnali elettrici e contemporaneamente sopprimere i rumori ambientali, con in più i vantaggi della robustezza, dell’impermeabilità e dell’invulnerabilità alle polveri e all’inquinamento ambientale. In pratica, invece di avere una o più membrane deformabili capacitive il microfono VM101 concepito da Vesper è fatto con un quattro triangoli di nitruro di alluminio piezoelettrico montati su altrettanti quattro supporti metallici, in modo da formare un quadrato che ha però un’intercapedine a X nel mezzo, che separa i lati in modo da impedirne il contatto (Fig. 6).

I piezoelettrici sono quindi liberi di deformarsi quando ricevono le onde di pressione acustiche e sono associati a quattro morsetti posti agli angoli del quadrato e collegati alternativamente a due elettrodi, che rilevano la deformazione nelle due direzioni costituite dalle diagonali del quadrato. Gli elettrodi sono quindi collegati a un Asic (Application Specific Integrated Circuit) che serve a confrontare le due deformazioni e amplificare il segnale che esce dall’integrato, direttamente come forma d’onda analogica fedele all’onda acustica rilevata.

VM101 è omnidirezionale, ha una sensibilità di -38 dBV a 1 kHz e un rapporto segnale/rumore SNR di 68 dB, mentre in totale l’elemento sensibile e l’Asic occupano 3,35 x 2,5 x 0,96 mm e sono incapsulati in un package che offre all’esterno un pin V_DD per l’alimentazione di 1,8V (con consumo di 150 µA), uno di terra (Ground) e un pin V_OUT con la tensione analogica d’uscita. La struttura Mems è molto robusta, può immergersi fino a 15m di profondità e tollera le temperature da -40 a +125 °C e, inoltre, VM101 può essere installato anche in array oppure in coppia per l’acquisizione audio stereo.

Lucio Pellizzari

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