Sviluppo e ingegnerizzazione di microfoni piezoelettrici stampati

Abstract: This thesis presents a study of piezoelectric (PE) microphones fabricated using 3D-printing. The study was conducted as part of a project of industrial interest, motivated by the advantages of printing techniques over traditional manufacturing methods, namely low cost, high flexibility, and throughput. The exploratory research regarding the advantages and limitations of printing techniques for piezoelectric microphone development resulted in an architecture exploiting a pillar-based design concept. The design is refined according to equivalent multiphysics models and Finite Element Method (FEM) simulations, in order to provide competitive performance in terms of sensitivity, bandwidth, or both. When possible, validation is performed with experimental measurements on fabricated prototypes. The proposed design implements a known sensitivity enhancement strategy, involving both a pillar-based mechanical structure and the electrode patterning of the piezoelectric film. A PE microphone with a single pillar is designed for 3D-printing. The mechanical parts of the sensor are printed as a single element, allowing for simple device fabrication. An original study is conducted to analyze the acoustic propagation in the microphone annular aperture and derive an equivalent circuit model. Then, a complete multiphysics model of the microphone is developed and validated, providing a useful tool for further technological development. A laser-trimmed prototype is fabricated as a result of the engineering process. The sensor is characterized by appreciable sensitivity and bandwidth and is among the first working examples of 3D-printed PE microphones.

Questa tesi presenta uno studio di microfoni piezoelettrici (PE) fabbricati con tecniche di stampa 3D. Lo studio è stato condotto nell’ambito di un progetto di interesse industriale, motivato dai vantaggi delle tecniche di stampa rispetto ai metodi di produzione tradizionali, quali basso costo, alta flessibilità e produttività. La ricerca esplorativa in merito ai vantaggi e ai limiti delle tecniche di stampa per lo sviluppo di microfoni piezoelettrici ha dato origine ad una architettura che sfrutta un design concettuale basato su una struttura a pilastri. La progettazione è stata perfezionata mediante modelli multifisici equivalenti e simulazioni con il metodo degli elementi finiti (FEM), al fine di fornire prestazioni competitive in termini di sensibilità, larghezza di banda o entrambi. Quando possibile, la convalida è stata eseguita con misurazioni sperimentali sui prototipi fabbricati. Il design proposto implementa una nota strategia di miglioramento della sensibilità che coinvolge sia una struttura meccanica a pilastri che la sagomatura degli elettrodi del film piezoelettrico. È stato progettato un microfono PE con un singolo pilastro per la stampa 3D. Le parti meccaniche del sensore sono stampate in un unico elemento, consentendo una fabbricazione semplificata dello stesso. È stato condotto uno studio originale per analizzare la propagazione acustica nell’apertura anulare del microfono e derivare un modello circuitale equivalente. Quindi, è stato sviluppato e validato un modello multifisico completo del microfono, fornendo un utile strumento per un ulteriore sviluppo tecnologico. Il processo di ingegnerizzazione ha portato alla fabbricazione di un prototipo tagliato al laser. Il sensore è caratterizzato da sensibilità e larghezza di banda apprezzabili, collocandosi tra i primi esempi funzionanti di microfono PE stampato in 3D.