Lautsprecher – klein, kleiner, MEMS-Chip!

Presseinformatiom / 8.2.2016

Das Fraunhofer ISIT entwickelt gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie, IDMT, in Ilmenau miniaturisierte, energieeffiziente und hochintegrierbare Lautsprecher. Je nach Anwendung werden sie einen Durchmesser zwischen drei und zwölf Millimetern besitzen. Ihre Einsatzgebiete sind mobile Kommunikationsgeräte wie Tablets, Laptops und Kopfhörer.

Prototyp eines MEMS-Aktorchips

 

In dem noch bis 2018 laufenden Forschungsvorhaben werden Mini-Lautsprecher unter anderem mit piezoelektrischem Antrieb gefertigt und getestet. Während das Fraunhofer IDMT sich mit der intelligenten Signalansteuerung beschäftigt, ist das Fraunhofer ISIT für die Entwicklung und Pilotfertigung der Lautsprecher verantwortlich. Dazu gehört auch deren Integration in hochminiaturisierte intelligente Mikrosysteme.

Bei der Entwicklung machen sich die ISIT-Wissenschaftler die Vorteile der MEMS-Technologie zu Nutze. MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme und verbindet klassische Halbleitertechnik mit Miniaturmechanik im Mikrometer-Bereich. Diese Systeme bestehen aus dem Halbleiterwerkstoff Silizium, der sich mit den hochentwickelten Chip-Fertigungstechnologien hervorragend in kleinsten Strukturen bearbeiten lässt und zudem auch ideal für elektromechanische Anwendungen geeignet ist.

Der Trend zu mikroelektronischen Bauteilen und Mikrosystemen mit integrierten Sensoren und Aktoren ist unaufhaltsam spätestens seit dem deutlichen Zuwachs an mobilen Endgeräten. Viele der für mobile Geräte notwendigen Komponenten werden bereits mit Hilfe der MEMS-Technologie miniaturisiert und integriert. Sie sind damit als kostengünstige und energiesparende Massenware produzierbar.

An der Lautsprecherentwicklung ist dieser Trend bisher vorbeigegangen und so gibt es bisher nur konventionell gefertigte Miniaturlautsprecher mit unbefriedigender Klangqualität und zu großen Abmessungen. Außerdem ist ihre Verarbeitung auf den Mainboards von Endgeräten sehr schwierig und die Lautsprecher unterliegen nicht zuletzt wegen der aufwendigen Montage unerwünschten Qualitätsschwankungen.

»Im Bereich der Entwicklung von MEMS-Lautsprechern begeben wir uns mit diesem Projekt auf wissenschaftliches Neuland. MEMS-Mikrofone gibt es bereits und sie sind ein großer wirtschaftlicher Erfolg, denn sie arbeiten zuverlässig, sind robust gegen mechanische Einwirkungen und aufgrund ihrer kleinen Abmessungen gut integrierbar. Das wollen wir auch für die MEMS-Lautsprecher schaffen – kombiniert mit einer soliden Leistungsstärke und sehr guter Klangqualität«, wünscht sich Dr. Daniel Beer, Lautsprecherexperte und Projektverantwortlicher am Fraunhofer IDMT.
Die Fraunhofer-Forscher wollen in dem Projekt MEMS-Lautsprecher mit einem möglichst geringen Klirrfaktor und einem hohen Schalldruck entwickeln. Ein geringer Klirrfaktor ist ein Maß für die Klangqualität der Lautsprecher, der Schalldruck gibt Auskunft über die akustische Leistungsfähigkeit. Dafür haben sie verschiedene Lautsprechertypen entwickelt und akustisch und physikalisch vermessen. Aufgrund der Messdaten werden sie dann theoretische Modelle zur optimierten Ansteuerung einsetzen.

Bei diesen Aufgaben machen sich die Entwickler auch die effizienzsteigernden Ansätze aus der klassischen Lautsprechertechnologie zu Nutze und adaptieren diese für die neu zu entwickelnden Lautsprecher. Durch eine bestimmte Anordnung und Ansteuerung von mehreren Lautsprechern zu Arrays können zudem noch höhere Schalldruckpegel erreicht werden. Mithilfe sogenannter Beamforming-Technologien kann dann sogar eine positionsgenaue Schallabstrahlung erfolgen.

»Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Akustik-Experten des IDMT und MEMS-Experten des Fraunhofer ISIT ist sehr fruchtbar und lässt auf neue Lösungen in dem zukunftsträchtigen Gebiet der akustischen Mikrosysteme hoffen«, freut sich der Gesamtprojektleiter Prof. Dr. Bernhard Wagner vom Fraunhofer ISIT.