Fraunhofer-Institut für SiliziumtechnologieDer fortschreitende Trend zu immer leistungsfähigeren drahtlosen Audioprodukten (z. B. In-Ear-Kopfhörern) verlangt nach immer kleineren und leistungsfähigeren Lautsprechern, die sich mit konventionellen Technologien nicht mehr realisieren lassen. Abhilfe versprechen sogenannte MEMS-Lautsprecher, an denen das ISIT seit mehreren Jahren forscht. Gegenüber konventionellen Lautsprechern zeichnen sie sich durch eine geringere Baugröße, günstigere Fertigungskosten und einen niedrigeren Energieverbrauch aus, was vor allem für mobile Anwendungen vorteilhaft ist.
In-Ear-Speaker
MEMS-Mikrolautsprecher
MEMS-Lautsprecher für den Einsatz in In-Ear-Kopfhörern
MEMS-Mikrolautsprecher-Chip
„Aufgrund ihrer Eigenschaften besitzen MEMS-Lautsprecher das Potential, eine der wichtigsten Weiterentwicklungen im Bereich der Miniaturlautsprecher zu werden“, meint Dr. Fabian Stoppel, Leiter der Gruppe Akustische Systeme und Mikroantriebe am Fraunhofer ISIT. Das besondere an diesen Winzlingen ist die neue Antriebstechnik auf MEMS-Basis. Die Abkürzung 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.
Funktionsweise:
Die neuartigen MEMS-Lautsprecher des ISIT funktionieren 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 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 der MEMS-Lautsprecher ist, dass bei ihrer Herstellung die piezoelektrischen Materialien mit Verfahren der Halbleitertechnologie bearbeitet und strukturiert werden. Dadurch 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.
Die am ISIT entwickelten MEMS-Lautsprecher befinden sich inzwischen in der dritten Generation -stets nach dem Motto „noch kleiner und noch leistungsfähiger“. Neben der starken Miniaturisierung zeichnen sich die Lautsprecher durch eine hohe Wiedergabetreue sowie einen breiten Frequenzbereich von 20 Hz bis 40 kHz aus. Darüber hinaus sind sie sehr energieeffizient und lassen sich in hohen Stückzahlen kosteneffizient und sehr präzise fertigen. Diese Eigenschaften machen die Lautsprecher zur idealen Wahl für Anwendungen in Mobilgeräten, z. B. in drahtlosen Kopfhörern, Hearables, oder aber auch auf dem Gebiet der Medizintechnik, z. B. in Hörgeräten.
