Faszination Technik Wie siliziumbasierte Mikrolautsprecher smarte Anwendungen ermöglichen

Redakteur: Katharina Juschkat

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Siliziumbasierte In-Ohr-Lautsprecher.

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Die neue, siliziumbasierte Technologie für In-Ear-Kopfhörer eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten von Hearables.
Die neue, siliziumbasierte Technologie für In-Ear-Kopfhörer eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten von Hearables.
(Bild: Fraunhofer IMPS)

Eine neue Lautsprechertechnologie basiert auf siliziumbasiertem Schallwandlerprinzip und besitzt keine herkömmliche Membran mehr. Entwickelt wurde der In-Ohr-Kopfhörer vom Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS. Eingesetzt werden könnten die neuen Kopfhörer etwa für das Internet der Dinge (Industry of Things) und speziell für das Internet der Sprache – das erfordert energieeffiziente und hochwertige Audiogeräte.

Im Nature Journal Microsystems & Nanoengineering wurden nun neue Forschungsergebnisse vorgestellt, die eine ordnungsreduzierte Modellierung ermöglichen.

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Wie die Lautsprecher aufgebaut sind

DIe akku-betriebenen Lautsprecher basieren nicht mehr auf einer herkömmlichen Membran. Vielmehr wurde diese gewissermaßen in Streifen zerlegt und in Form einer Vielzahl von Biegebalken – ähnlich der Saiten einer Harfe – in einem Siliziumchip vereint. Die dünnen Biegebalken, die nicht breiter sind als der Bruchteil eines Haares, bilden mit ihrem integrierten, elektrostatischen Antrieb eine völlig neuartige Klasse von Biegeaktoren.

Beim Anlegen einer Audiosignalspannung werden diese zum Schwingen angeregt und erzeugen hörbare Schallwellen. Durch die Integration aller Komponenten direkt im Siliziumchip sind diese Klanggeber wesentlich kleiner und energieeffizienter als herkömmliche Lautsprecher.

Smarte Hearable-Anwendungen möglich

Diese neue Art extrem kleiner Mikrolautsprecher bietet nun den Raum, eine Vielzahl weiterer Funktionalitäten in zukünftige In-Ohr-Kopfhörer zu integrieren. So erlauben sie smarte Hearable-Anwendungen wie Instant-Übersetzung, Bezahlfunktionen und weitere Internetdienstleistungen – alles sprachgesteuert und ohne Blick auf das Smartphone. Diese Multitalente könnten in Zukunft sogar die komplette Internetkommunikation übernehmen.

Weiterentwicklung und Vermarktung der Technologie

Das Fraunhofer IPMS hat die Lautsprechertechnologie weiterentwickelt. Elektrostatisch ausgelenkte Mikrobalken sind in der Welt von mikro-elektro-mechanischen Systemen (MEMS) weit verbreitet und haben angesichts der aktuellen technologischen Trends einen hohen Stellenwert. Insbesondere die Entwicklung von komplexen Systemen mit vielen MEMS-Einzelkomponenten ist auf das Vorhandensein von zuverlässigen ordnungsreduzierten Modellen angewiesen.

Ordnungsreduzierte Modelle können dabei die Ortsabhängigkeit der Auslenkung eines Balkens mit einem einzigen Freiheitsgrad beschreiben, was die Lösung der zugehörigen Gleichungen wesentlich vereinfacht, oder oftmals überhaupt erst ermöglicht. Das Verhalten von Mikrobalken ist jedoch stark nichtlinear, was in der Regel das Ableiten solcher Modelle zu einer Herausforderung macht, da viele solcher Freiheitsgrade benötigt werden, um eine angemessene Genauigkeit zu erreichen.

Anton Melnikov, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS und Erstautor des Papers, erklärt: „Es stellt sich heraus, dass in dem für MEMS üblichen Parameterbereich die Nullmode über den gesamten Hub des Balkens alle wichtigen Informationen beinhaltet, um das Gesamtverhalten mit hoher Präzession abzubilden.“ Diese Erkenntnisse, die im Rahmen eines von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung finanzierten Projekts gewonnen wurden, erlauben die Erstellung von ordnungsreduzierten Modellen basierend auf der Projektion auf die Euler-Bernoulli-Nullmode, was eine akkurate Abbildung von Mikrobalken über einem einzigen Freiheitsgrad ermöglicht.

Die Vermarktung der Lautsprechertechnologie übernimmt die vom Fraunhofer IPMS 2019 ausgegründete Arioso Systems GmbH. Das Verwertungspotenzial der neuen Mikrolautsprecher wird derzeit in Gesprächen mit interessierten Industriekunden evaluiert.

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