Faszination Technik Wie Klang in einem Silizium-Chip erzeugt wird

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein MEMS-Mikrolautsprecher, dessen Schallwandlerprinzip auf eine Membran verzichtet.

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Arioso Systems, eine Ausgründung des Fraunhofer IPMS, hat energieeffiziente, hochminiturisierte MEMS-Mikrolautsprecher aus Silizium für drahtlose In-Ear-Kopfhörer entwickelt.
Arioso Systems, eine Ausgründung des Fraunhofer IPMS, hat energieeffiziente, hochminiturisierte MEMS-Mikrolautsprecher aus Silizium für drahtlose In-Ear-Kopfhörer entwickelt.
(Bild: Arioso Systems)

Lautsprecher auf Basis Mikro-Elektromechanischer Systeme (MEMS) können eine Alternative für die Wiedergabe akustischer Signale auf engstem Raum sein – wie z.B. bei drahtlosen In-Ear-Kopfhörern. Bisher sind diese noch vergleichsweise groß und viele der verbauten Komponenten entladen den Akku schnell. Den meisten Platz benötigen hier der Akku und der Mikrolautsprecher. Neue intelligente Funktionen benötigen jedoch viel Rechenleistung und somit Platz und Strom.

Arioso Systems, eine Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS, hat nun energieeffiziente, hochminiturisierte MEMS-Mikrolautsprecher entwickelt. Die zehn Quadratmillimeter kleinen und 100 Prozent siliziumbasierten Mikrospeaker sollen die Akkulaufzeit verlängern und den Batterieverbrauch reduzieren. Dadurch kann die Funktionalität der drahtlosen Kopfhörer um sofortige Übersetzung, Zustandsüberwachung und Internet of Voice-Dienste erweitert werden.

Neuartige Audiowandler-Technologie

Für das patentierte MEMS-Mikrolautsprecherdesign wurde die herkömmliche Lautsprechermembran durch hunderte, 20 μm dünne, sich bewegende Lamellen ersetzt.
Für das patentierte MEMS-Mikrolautsprecherdesign wurde die herkömmliche Lautsprechermembran durch hunderte, 20 μm dünne, sich bewegende Lamellen ersetzt.
(Bild: Arioso Systems)

Die Micro-Speaker nutzen ein neues, leistungseffizientes Schallwandlerprinzip, das auf der NED-Technologie (Nanoscopic Electrostativ Drive) beruht. Dabei besitzt der neue MEMS-Schallwandler keine Membran mehr wie herkömmliche Lautsprecher. Stattdessen wird diese durch eine Vielzahl von 20 Mikrometer dünnen Lamellen im Inneren des Siliziumchips ersetzt. Sie sind zwischen einem oberen und einem unteren Wafer angeordnet. Durch Öffnungen an der Ober- und Unterseite des Chips entweicht Luft aus den Kammern und strömt in die Kammern nach, in denen sich elektrostatische Aktoren bewegen. Durch Anlegen einer Audiosignalspannung werden diese NED-Aktoren zum Schwingen angeregt, die Schwingungen werden als Schall hörbar.

Schalldruckpegel von 120 Dezibel

Da die Lautsprecherkomponenten direkt im Siliziumchip integriert werden können, nehmen sie nur wenig Fläche ein und sind energieeffizienter als herkömmliche Micro-Speaker. Die Batterie wird weniger belastet, die Akkulaufzeit lässt sich um mehrere Stunden verlängern. Durch die Erzeugung des Schalls im Inneren des Siliziumchips entsteht bei einer Größe von nur 10 Quadratmillimeter ein Schalldruckpegel von etwa 120 Dezibel bei bester Soundqualität.

Kostengünstige Großserie möglich

Mit ihrer Entwicklung adressiert Arioso Systems insbesondere große OEMs und Internetdienstleister. Aber auch für den Einsatz in Hörgeräten soll sich das neuartige Schallwandlerprinzip eignen. Eine Produktion in Großserie ist mit üblichen CMOS-Verfahren (Complementary Metal Oxid Semiconductor) kostengünstig möglich – ein Vorteil gegenüber Konkurrenztechnologien, die bisher Piezo-Materialien verwenden, was die Produktion komplizierter und teurer macht.

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