Sviluppo e caratterizzazione metrologica di un circuito elettronico per la taratura di microfoni MEMS con il metodo di reciprocità = Development and metrological characterization of an electronic circuit for the calibration of MEMS microphones by the reciprocity method

I microfoni MEMS, sensori micro-elettromeccanici di nuova generazione con buone caratteristiche di trasduzione, nonché con dimensioni, costi e consumi ridotti, sono sempre più di interesse nell’ambito della metrologia acustica in aria. La taratura di tali strumenti garantisce la riferibilità metrologica ai campioni delle unità di misura e assicura l’accuratezza e l’affidabilità delle misure in numerose possibilità applicative, come la mappatura del rumore ambientale e l’analisi di campi acustici tramite array microfonici. Per farlo, è necessario sviluppare nuovi metodi di taratura, o adattare al loro utilizzo metodi già esistenti. Presso il laboratorio microfoni dell’INRiM, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, è mantenuto e disseminato il campione nazionale di pressione sonora, un insieme di microfoni a condensatore tarati con il metodo primario di reciprocità in pressione, direttamente riferibili ai campioni nazionali delle unità di misura. Da questi presupposti nasce l’idea di affidarsi a tale metodo, ad oggi caratterizzato dai più elevati standard metrologici di precisione ed accuratezza, per la taratura dei microfoni MEMS, attraverso l’accoppiamento acustico con i microfoni campione a condensatore. Anziché creare un nuovo sistema di taratura, l’idea innovativa consiste nell’adattare la catena di misura preesistente ai microfoni MEMS analogici che, elettricamente, presentano specifiche tecniche molto diverse rispetto ai microfoni di misura tradizionali. In questa tesi è presentato lo sviluppo, dalla progettazione alla realizzazione e caratterizzazione metrologica, di un circuito elettronico in grado di rendere elettricamente compatibili microfoni MEMS analogici al sistema di taratura per reciprocità presente nel laboratorio microfoni dell’INRiM. Al contempo, il circuito ha l’obiettivo di ampliare l’utilizzo del sistema, attualmente applicato alla taratura in campi acustici di pressione, alla taratura in campo libero, attraverso un condizionamento a basso rumore e distorsione dei segnali microfonici. I risultati sperimentali dei test sui prototipi e sul dispositivo finale, ottenuti dopo una fase di progettazione e simulazione delle configurazioni circuitali, sono utilizzati per la validazione del sistema e la valutazione delle prestazioni e dei limiti di utilizzo. La caratterizzazione dell’apparato ha evidenziato il rispetto delle specifiche tecniche e dei requisiti stabiliti, in particolare i livelli di rumore e distorsione introdotti dal circuito contribuiscono in modo trascurabile all’incertezza della catena di misura. Inoltre, attraverso l’applicazione della tecnica della tensione di inserzione, il dispositivo permette di ricavare la sensibilità dei microfoni MEMS compensando il guadagno introdotto dal condizionamento dei segnali. L’apparato così realizzato si pone come un ponte tra i microfoni in taratura, sia quelli tradizionali a condensatore sia quelli a tecnologia MEMS, e la catena di misura, potenziando le capacità metrologiche del campione primario di pressione sonora.