Die sogenannten MEMS-Mikrolautsprecher decken in dieser Anwendung einen Frequenzbereich von 20 Hz bis über 20 kHz ab, erzeugen einen Schalldruckpegel von 110 dB und liefern einen ausgewogenen, druckvollen Klang mit brillianten Höhen. Dabei zeichnen sie sich gegenüber konventionellen Lautsprechern durch eine geringe Baugröße, günstige Fertigungskosten und einen niedrigen Energieverbrauch aus, was vor allem für batteriebetriebene mobile Geräte sehr wichtig ist.

„Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften können MEMS-Lautsprecher die wichtigste Weiterentwicklung im Bereich der Miniaturlautsprecher-Technik seit vielen Jahren werden“, meint Fabian Stoppel, Gruppenleiter für Akustische Systeme und Mikroantriebe am Fraunhofer ISIT. Das besondere an diesen Winzlingen ist die neue Technik des Antriebs auf MEMS-Basis. MEMS steht für mikro-elektro-mechanische Systeme. Dahinter verbirgt sich eine besondere Chiptechnologie, mit der neben der Elektronik auch miniaturisierte mechanische Strukturen erzeugt werden können. Das Basismaterial für die neuen Lautsprecher ist Silizium, in dem mittels Herstellungsverfahren aus der Mikrochip-Technologie Strukturen mit Größen von wenigen tausendstel Millimetern erzeugt werden.

Letztlich funktionieren die neuen MEMS-Lautsprecher des ISIT nach dem piezoelektrischen Prinzip. Piezoelektrische Materialien verformen sich unter elektrischer Spannung, d.h. sie wandeln elektrische Energie in Bewegung. Legt man eine Wechselspannung an die Antriebsstrukturen an, die unter anderem aus einer zwei tausendstel Millimeter dünnen piezoelektrischen Schicht und hauchdünnen Silizium-Membranen bestehen, beginnen sie zu schwingen. Diese mechanischen Auslenkungen verdrängen bei den Lautsprechern die umgebende Luft und erzeugen so Schallwellen. Das Antriebsprinzip ist im Vergleich zu elektrodynamischen Antrieben sehr energieeffizient und ermöglicht somit Lautsprecher mit einem besonders geringen Energiebedarf.

Der Einsatz von piezoelektrischen Materialien in der Technik ist schon lange bekannt. Das Neuartige bei den MEMS-Lautsprechern ist, dass bei ihrer Herstellung die piezoelektrischen Materialien mit Verfahren der Halbleitertechnologie bearbeitet und strukturiert werden. Damit können die MEMS-Lautsprecher parallel und kostengünstig in großen Stückzahlen auf Siliziumscheiben gefertigt werden. Das Fraunhofer ISIT forscht auf zahlreichen Anwendungsgebieten mit unterschiedlichen piezoelektrischen Dünnschichtmaterialien und hat im Bereich der piezoelektrischen MEMS seit vielen Jahren eine internationale Führungsposition.

Drei Jahre insgesamt haben die Wissenschaftler am Fraunhofer ISIT zusammen mit ihren Kollegen am Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie, IDMT in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt getüftelt und geforscht. Dabei haben die ISIT-Forscher die neuen Mikrolautsprecher entwickelt und gefertigt, während ihre Kollegen vom Fraunhofer IDMT für eine intelligente Signalansteuerung der Lautsprecher gesorgt haben.

Im Frühjahr 2018 ist den Forschern aus Itzehoe und Ilmenau dann der Durchbruch gelungen und sie konnten leistungsfähige, integrierte MEMS-Lautsprecher realisieren, die sie nun zeitnah für In-Ear-Anwendungen in den Markt bringen wollen.

Fabian Stoppel sieht bei den MEMS-Lautsprechern in Zukunft noch ein vielfältiges Entwicklungspotential, das auch weitere Anwendungen wie Smarphones, Wearables, AR/VR sowie medizinische Produkte einschließt. Zurzeit arbeiten er und sein Entwicklungsteam an Lautsprechern auf Basis neuer piezoelektrischer Hochleistungsmaterialien, mit denen sich der Leistungsverbrauch noch weiter verringern lässt. Zudem entwickeln die Forscher Lautsprecher mit nochmals deutlich geringerer Baugröße. Dies macht die Lautsprecher preislich noch attraktiver und könnte völlig neue Anwendungsfelder in der Akustik schaffen.

Die Entwicklung von MEMS-Lautsprechern folgt einem Trend, der in der Entwicklung mobiler Elektronik seit längerem zu beobachten ist. So erkennen winzige MEMS- Lagesensoren, die in Massenproduktion aus Silizium hergestellt werden schnell und zuverlässig, wie das Handy oder Tablet gehalten wird. Auf der gleichen Technologie basieren auch MEMS-Mikrofone, die mittlerweile in nahezu allen Smartphones verbaut werden und die trotz der geringen Baugröße eine hervorragende Qualität abliefern.