Progetto e realizzazione di sensori CMOS per la misura della velocita delle particelle acustiche

I sensori acustici miniaturizzati più diffusi, che utilizzano il principio piezoelettrico o a capacità variabile, sono in grado di rilevare una delle grandezze caratteristiche del suono, la pressione. Esistono anche altre tipologie di sensori che sfruttano principi differenti. Ad esempio ci sono quello che emula il comportamento dei peli degli insetti (sensibili alla velocità delle particelle dell’aria mosse dal suono), quello a risonanza meccanica e quello termico. Questi ultimi, normalmente utilizzati per la misura diretta di quantità termiche come calore e temperatura, possono essere usati come trasduttori indiretti, in campo acustico, per convertire in un segnale elettrico, oltre alla pressione, anche la velocità delle particelle, attraverso effetti termici. La loro integrazione su un chip di silicio è diventata realizzabile con lo sviluppo di tecniche di micromachining che permettono la fabbricazione di strutture micrometriche termicamente isolate dal substrato. Nell’ambito di questa tesi sono state sviluppate delle tecniche di post-processing necessarie alla fabbricazione di sensori MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) di velocità delle particelle acustiche che superino i limiti presentati dai sensori non integrati, come costi eccessivi dovuti alla tecnologia dedicata o consumi elevati. Inoltre questo lavoro dimostra la fattibilità di un sensore direzionale con l’asse di massima sensibilità ruotabile elettricamente. Tale sensore è ottenuto utilizzando, in contemporanea, le risposte di due sensori acustici posizionati ortogonalmente fra loro. I sensori acustici sono realizzati sfruttando i processi, e quindi i materiali, utilizzati tradizionalmente per la fabbricazione di circuiti integrati CMOS. Il processo utilizzato per il chip su cui sono presenti i sensori da processare è il BCD6s di STMicroelectronics. Per quanto riguarda il post-processing vengono sfruttate, 7 ottimizzandole per i sensori acustici, tecniche di micromachining, quali il RIE (reactive ion etching), la rimozione della metal e il TMAH (tetra methyl ammonium hydroxide). Il lavoro di tesi svolto si articola in quattro capitoli. Nel capitolo 1 viene fatta una breve panoramica sui microfoni commerciali e quelli integrati. Sono poi discusse alcune applicazioni, per la localizzazione della sorgente sonora e la rimozione dei disturbi, basate su strategie di beamforming utilizzanti array di microfoni. Il capitolo 2 presenta le caratteristiche del MicroflownTM, unico prodotto commerciale attualmente in grado di misurare la velocità delle particelle acustiche. Il capitolo 3 descrive in modo dettagliato il postprocessing effettuato. La prima parte del capitolo riguarda la descrizione del progetto del chip, dall’idea alle caratteristiche specifiche dei sensori, e le scelte e le procedure utilizzate per il postprocessing. Nella seconda parte vengono riportate le misure effettuate per la caratterizzazione dei sensori e la descrizione degli apparati di misura costruiti e utilizzati. Nel capitolo 4 viene descritto l’impiego del dispositivo realizzato per implementare un sensore acustico direzionale con l’asse di massima sensibilità ruotabile elettronicamente. In particolare vengono riportate le misure effettuate sia per dimostrare la fattibilità di questa applicazione, sia per la caratterizzazione del rumore e del limite di potenza dei sensori