Mikrolautsprecher: HiFi auf 4 Quadratmillimeter

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Bislang glänzen Lautsprecher für In-Ear-Kopfhörer oder Hörgeräte nicht gerade mit audiophilen Eigenschaften. Die neuartige MEMS-Version sorgt dagegen für ganz neue Töne. Zu sehen und hören bei Fraunhofer (Halle C5 Stand 426) auf der electronica, nächste Woche ab Dienstag.

MEMS-Sensoren sind die „Sinnesorgane“ mobiler Geräte. So orientieren sich Smartphones zum Beispiel mit Drehratensensoren oder nehmen mit winzigen MEMS-Mikrofonen Geräusche und Sprache auf. Die Lautsprecher dagegen sind noch nicht „MEMS“. Trotz ihrer Verwandtschaft zum Mikrophon – gleiches Prinzip, nur umgekehrt betrieben – hängen sie noch dem Elektromagnetismus nach. Und das, obwohl eine nichtlineare Signalwandlung, schlechte Tief- und Hochtonwiedergabe durch zu viel Masse sowie konstruktionsbedingte Eigenresonanzen die Klangqualität arg beschränken.

Mikrolautsprecher
Piezoelektrischer MEMS-Mikrolautsprecher mit hoher Klangqualität, geringer Baugröße, günstigen Fertigungskosten und niedrigem Energieverbrauch. (Bild: Fraunhofer ISIT).

Neuartige MEMS-Mikrolautsprecher vom Fraunhofer ISIT und Fraunhofer IDMT (Halle C5 Stand 426) versprechen dagegen einen ausgewogenen, druckvollen Klang mit brillianten Höhen. Sie decken auf einer Fläche von gerade einmal 4 x 4 Quadratmillimeter einen Frequenzbereich von 20 Hz bis über 20 kHz ab und erzeugen bei In-Ohr-Anwendungen einen Schalldruckpegel von 110 Dezibel (dB). Das kommt dem „Sound“ einer Kettensäge in einem Meter Entfernung gleich. Bei kleinerer Bandbreite gelänge sogar der Sprung über die Schmerzgrenze von 130 dB.

Daneben punkten die MEMS-Winzlinge gegenüber ihren konventionellen Pendants mit geringen Baugrößen, günstigen Fertigungskosten und einem niedrigen Energieverbrauch. Damit sind sie wie geschaffen für batteriebetriebene mobile Geräte.

Mikrolautsprecher nach Piezo-Prinzip

Hinter MEMS (Mikro Elektro Mechanische Systeme) verbirgt sich eine Mikrochip-Technologie, die aus dem bewährten Basismaterial Silizium parallel zur eigentlichen Elektronik auf dem Wafer kostengünstig und in großen Stückzahlen auch mechanische Strukturen mit Größen von wenigen tausendstel Millimetern erzeugt.

Die fertigen MEMS-Lautsprecher funktionieren dann nach dem piezoelektrischen Prinzip. Dabei verformen sich Materialien unter elektrischer Spannung, d.h. sie wandeln elektrische Energie in Bewegung um. Legt man eine Wechselspannung an die Antriebsstrukturen an, die aus einer zwei tausendstel Millimeter dünnen piezoelektrischen Schicht und hauchdünnen Silizium-Membranen bestehen, beginnen sie zu schwingen. Diese mechanischen Auslenkungen verdrängen wie bei allen Lautsprechern die umgebende Luft und erzeugen so Schallwellen.

MEMS-Lautsprecher aus Österreich

Nicht nur Fraunhofer setzt auf MEMS bei Lautsprechern. Das Start-up Usound aus Österreich (wir berichteten) scheint zumindest was die Kommerzialisierung angeht, leicht die Nase vorne zu haben. Zusammen mit STMicroelectronics (Halle C3 Stand 101) lieferten sie Anfang dieses Jahres erste Silizium-Mikrolautsprecher aus. In das Projekt flossen das Design von USound und die Dünnschicht-Piezotechnologie von ST Microelectronics.

USound GmbH: Finalist Fast Forward Award 2018

Erst kürzlich konnte USound mit der Massenproduktion beginnen und mit Digi-Key (Halle B5 Stand 165 ) einen prominenten Distributionspartner gewinnen. Flex, STMicroelectronics und AT&S sollen jetzt jährlich mehrere Millionen Stück zuerst für In-Ear-Kopfhörer produzieren. Später folgen Wearables und schließlich Smartphones.

Fazit

Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften könnten MEMS-Lautsprecher die wichtigste Weiterentwicklung im Bereich der Miniaturlautsprecher-Technik seit vielen Jahren werden. Der MEMS-Spezialist unter den Analystenunternehmen Yole Développement beziffert den Gesamtmarkt für Mikrolautsprecher derzeit mit 8,7 Milliarden US-Dollar und erwartet, dass siliziumbasierte MEMS-Produkte weitere Marktanteile erringen können.

Die Anwendungsmöglichkeiten reichen dabei von Smarphones über Wearables und Augmented Reality (AR) / Virtuel Reality (VR) bis hin zu medizinischen Produkten. Zurzeit arbeiten die Fraunhofer-Forscher daran, die Lautsprecher noch kleiner zu machen und mit neuen piezoelektrischen Hochleistungsmaterialien den Leistungsverbrauch weiter zu senken. Dies könnte in Zukunft völlig neue Anwendungsfelder in der Akustik schaffen.

Knowledge Base

Yole Développement: Webcast Acoustic MEMS and Audio Solutions.

 


Erfahren sie mehr über Sensorik und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) in Halle B3.

 

 

 

 

 

Mikrolautsprecher (Bild: Fraunhofer ISIT).

Neue MEMS-Mikrolautsprecher für In-Ear-Kopfhörer glänzen mit geringem Energieverbrauch und HiFi-Qualität . (Bild: Fraunhofer ISIT).