Design of a high-SNR digital MEMS optical microphone

The ability to sense and measure physical entities has always been a driving goal of mankind. Sensors represent the link between electronics and the physical world. Acoustics is one of the fundamental branches of physics as it deals with one of the main human senses. The quintessential acoustic sensor is the microphone as it represents ideally an extension of our ears. The history of microphones starts back in the 17th century and travels all the way through the centuries with continuous developments that brought us to the present work. Nowadays microphones are widely spread in consumer electronics and represent an important research and industrial field. The new audio applications such as ANC (Active-Noise-Canceling) systems, transparent hearing, augmented reality, speech recognition, among others, constantly require increased performance, extreme miniaturization and portability. This thesis combines the nowadays well-known and stable MEMS technology, that has been the latest technological breakthrough after the traditional electret microphones, with a disruptive acoustic sensing concept based on the optical conversion of the acoustical signals. The project develops a full SiP (System-in-Package) digital optical microphone with state-of-art SNR (Signal-to-Noise-Ratio) performance. The designed system comprises a MEMS acousto-optic transducer, an optical stack, a state-of-art package and an ASIC that integrates the analog frontend and an analog-to-digital converter. This work traces the path for a promising future high-end microphones technology.

La capacità di percepire e misurare entità fisiche è sempre stata un obiettivo fondamentale dell'essere umano. I sensori rappresentano il collegamento tra l'elettronica e il mondo fisico. L'acustica è una delle branche fondamentali della fisica, in quanto essa si occupa di uno dei principali sensi umani. Il sensore acustico per eccellenza è il microfono in quanto rappresenta idealmente un'estensione delle nostre orecchie. La storia dei microfoni inizia nel XVII secolo e attraversa i secoli con continui sviluppi che ci hanno portato a questo progetto di dottorato. Oggigiorno i microfoni sono ampiamente diffusi nell'elettronica di consumo e rappresentano un importante campo di ricerca e industriale. Le nuove applicazioni audio come i sistemi ANC (Active-Noise-Canceling), il transparent hearing, la realtà aumentata, il riconoscimento vocale, ecc., richiedono continui miglioramenti delle prestazioni, miniaturizzazione molto spinta e portabilità. Questa tesi combina la tecnologia MEMS, che è stata l'ultima svolta tecnologica dopo i tradizionali microfoni a elettrete, ormai matura e integrata stabilmente nei processi produttivi di larga scala, con un concetto di rilevamento acustico dirompente basato sulla conversione ottica dei segnali acustici. Il progetto sviluppa un microfono ottico digitale SiP (System-in-Package) completo con prestazioni SNR (Signal-to-Noise-Ratio) all'avanguardia. Il sistema progettato comprende un trasduttore acusto-ottico MEMS, uno stack ottico, un package all'avanguardia e un ASIC che integra il frontend analogico e un convertitore analogico-digitale. Questo lavoro traccia il percorso per una promettente tecnologia futura di microfoni high-end.