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BTU und Fraunhofer IPMS: MEMS Lautsprecher ohne Membran

  • BTU und Fraunhofer IPMS: MEMS Lautsprecher ohne Membran
    MEMS basierte Kopfhörer.

Für Internet-of-Voice-Dienste wird in den kommenden Jahren eine große Nachfrage und Marktdurchdringung erwartet. Diese Dienste können schon heute direkt mittels Hearables direkt im Ohr der Menschen eingesetzt werden. Hearables sind intelligente drahtlose Kopfhörer, die mit Minilautsprechern ausgerüstet sind und viele zusätzliche Funktionen in sich vereinen. Derartige Mikrokopfhörer könnten dabei die komplette Internetkommunikation übernehmen, wenn es gelingt, die dafür benötigte Hardware soweit zu miniaturisieren, dass sie bequem und dauerhaft im Gehörgang getragen werden kann. Für eine zentrale Kernkomponente - dem Im-Ohr-Lautsprecher - haben Wissenschaftler des Fraunhofer Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Dresden und Cottbus zusammen mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) ein neues, leistungseffizientes Schallwandlerprinzip entwickelt und erstmals im Wissenschaftsmagazin Nature Microsystems and Nanoengineering detailliert vorgestellt.

Das neue Schallwandlerprinzip besitzt keine herkömmliche Membran mehr. Vielmehr wurde diese in Form einer Vielzahl von Biegelbalken – ähnlich der Saiten einer Harfe – in das Volumen eines Siliziumchips verlegt. Innerhalb der nur 20 µm dünnen Biegebalken sind neuartige elektrostatische Biegeaktoren, so genannte Nano -E- Drive-Aktoren integriert, welche durch die Audiosignalspannung zum Schwingen angeregt werden. Um den akustischen Kurzschluss beidseitig der Balken zu verhindern hat das Wissenschaftlerteam um Bert Kaiser, Holger Conrad und Prof. Harald Schenk zwei Silizium-Waferschichten mit Aus- und Einlassschlitzen auf Ober- und Unterseite der Biegebalken gebondet. Dadurch kann ein komplett in Silizium-Technologie hergestellter Mikrolautsprecher realisiert werden.

Auf den Laborergebnissen aufbauend wurde ein erstes akku-betriebenes Demosystem für die Im-Ohr Wiedergabe realisiert. Damit ließen sich Schalldrücke größer 100 dB und vielversprechende Linearitäten erstmals darstellen. Derzeit wird eine Ansteuerung mit Verstärker entwickelt, die es erlauben soll die Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz und dem Formfaktor für Verwertungskunden in einfacher Weise zugänglich zu machen.

Die auf MEMS-Prozessen beruhende Herstellungstechnologie wurde über das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte VIP+ Projekt "MEMSound" zwischen 2016 und 2018 erforscht und wesentlich für die Märkte Hearables, Hörgeräte und Smartphones weiterentwickelt sowie patentrechtlich abgesichert.

Weiterführende Links

www.b-tu.de
Fachartikel "Concept and proof for an all-silicon MEMS micro speaker utilizing air chambers"

Foto: Fraunhofer IPMS