Kleinster MEMS-Lautsprecher der Welt

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Grosse Töne soll er spucken – der kleinste Lautsprecher der Welt. MEMS macht’s möglich. Diese mikroelektromechanischen Systeme haben schon Mikrofone, Kameras und eine ganze Reihe von Sensoren für Smartphones, Wearables und Co. auf einen Sub-Millimetermaßstab geschrumpft.

Beinahe 150 Jahre hat es gedauert bis Halbleitertechnologie dabei ist auch das bewährte Lautsprecherprinzip von Werner von Siemens aus dem Jahre 1877 in einigen Bereichen zu verdrängen. Noch versetzen in Smartphones, Wearables oder Kopfhörern Spule-Magnet-Kombis Membranen in mechanische Schwingungen. Die Anordnung hat zwar schon eine Menge Schrumpfungsprozesse hinter sich, gegen den neuen Konkurrenten aus Silizium aber sieht sie alt aus. Auch weil der Wirkungsgrad schlicht katastrophal ist. So verpuffen etwa bei Hifi-Lautsprechern im Bassbereich nicht selten 99 Prozent als Wärme.

Der MEMS-Lautsprecher (Micro Electro-Mechanical Systems) des Grazer Start-ups USound kann da mit anderen Werten aufwarten. Bei Abmessungen von nur 5x7x2 mm und einem Frequenzbereich von 2 bis 15 kHz nimmt er nur die Hälfte des Platzes seiner Vorgänger ein und kommt mit 20 Prozent der Energie aus.

Man wundert sich, warum von den „Grossen“ niemand, und außer Audiopixel aus Australien auch kein „Kleiner“ auf die Idee gekommen ist, Lautsprecher auf MEMS-Basis zu entwickeln. Schließlich hören mit MEMS-Mikrofonen die inversen Brüder schon länger auf die Stimme ihrer Besitzer. Im iPhone 6s stecken zum Beispiel vier. Nicht wenige davon stammen von STMicroelectronics. Das ist interessant, weil die beiden USound-Gründer Andrea Rusconi Clerici und Ferruccio Bottoni da ihr MEMS-Know-how erworben haben. Zusammen mit Jörg Schönbacher, dem dritten Gründer im Bunde, fand man sich dann bei Sensordynamics in Graz wieder. Dort entwickelte man unter anderem zusammen mit EnOcean das weltweit erste SoC (System-on-a-Chip) für Energie-Harvesting auf Basis des piezoelektrischen Effektes.

Genau jener sorgt dafür, dass der MEMS-Lautsprecher laut spricht. Dazu werden auf Silizium dünne piezoelektrische Schichten aufgebracht. Ein elektrisches Signal setzt sie und die mit ihr verbundene Membran in Bewegung. Das mechanische Prinzip gehorcht so letztlich dem eines normalen Lautsprechers. Nur, dass Magnet und Spule durch ein Piezo-Element ersetzt sind. Das ist nicht neu. Bislang allerdings glänzten Piezo-Lautsprecher weder mit hoher Klangqualität noch mit grossem Schalldruck bei tiefen Frequenzen. Die MEMS-Version von USound scheint hier bezüglich Verzerrung und Klirrfaktor deutliche Vorteile zu haben.

Partner und andere Beteiligte

Die Entwicklung und Fertigung derart ultrakleiner Bauteile erfordert in vielen Bereichen hochspezielles Know-how. Das baut man als Start-up nicht mal soeben in kurzer Zeit auf. Deswegen sind eine ganze Reihe von Fraunhofer Instituten (IDMT, ISIT, IIS, IZM) und der Leiterplattenspezialist AT&S mit an Bord.

Neben hochkarätigen Technologie-Partnern benötigen junge Hightech-Unternehmen ebenso „Beteiligte“ mit passendem Background. Mit eQventure als Lead Investor ist ein alter Bekannter der Gründer von der Partie. Herbert Gartner hatte SensorDynamics gegründet und 2011 an Maxim Integrated verkauft. Mit ihm kam der Business Angel Hermann Hauser – Gründer des britischen Chipherstellers ARM. Letztes Jahr für 31 Mrd. Dollar an das japanische Technologieunternehmen Softbank verkauft. Eine Menge Schwergewichte also für so leichte „Komponenten“.

MEMS-Lautsprecher in Massenproduktion

Einen Prototypen zu entwickeln ist jedoch nur ein Teil der Wegstrecke. Hohe Stückzahlen zu produzieren wird mindestens ebenso herausfordernd. Dafür gab’s jetzt eine 12 Mio. Euro schwere Finanzierungsrunde. Bis Ende Juni sollen damit eine erste Fertigungslinie entstehen und in der zweiten Jahreshälfte Kunden beliefert werden. Bevor allerdings die „Piezos“ in Smartphones Geräusche von sich geben können, müssen sie sich erst einmal in Ohrhörern beweisen. Smartphones sind dann für 2018 geplant. Der Markt könnte für einen First-Mover lukrativer nicht sein. Laut dem Marktforschungsinstitut Yole Développement soll der MEMS-Umsatz bis 2021 auf 20 Milliarden US-Dollar steigen.

 

MEMS-Lautsprecher (Bild: Usound).

Der Trend zu mikroelektronischen Bauteilen und Mikrosystemen hat jetzt auch die Lautsprecher erreicht. (Bild: Usound).