Mikrolautsprecher für Next Gen In-Ears Biegeaktoren als Schallwandler mit hoher Audioqualität

Von Kristin Rinortner

Anbieter zum Thema

Ein neues Schallwandlerprinzip mit elektrostatisch arbeitenden Biegeaktoren kommt ohne Membran aus. Da die Komponenten direkt in den Silizium-Chip integriert werden, sind mit derartigen Schallwandlern gefertigte Mikrolautsprecher nicht nur sehr klein, sondern arbeiten auch äußerst energieeffizient.

Klangvergnügen im Ohr: Das innovative Lautsprecherkonzept für In-Ear-Geräte basiert auf der NED-Technologie des Fraunhofer IPMS. Direkt in den Silizium-Chip integriert, sind die drahtlosen Mikro-Lautsprecher nicht nur sehr klein, sondern auch äußerst energieeffizient.
Klangvergnügen im Ohr: Das innovative Lautsprecherkonzept für In-Ear-Geräte basiert auf der NED-Technologie des Fraunhofer IPMS. Direkt in den Silizium-Chip integriert, sind die drahtlosen Mikro-Lautsprecher nicht nur sehr klein, sondern auch äußerst energieeffizient.
(Bild: © Fraunhofer IPMS)

Seit mehreren Jahren forschen die Experten um Dr. Bert Kaiser am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) an einem neuartigen energieeffizienten Aktorensystem für drahtlose Mikrolautsprecher. Herausgekommen ist eine neuartige Mikrolautsprecher-Technologie, die direkt in den Silizium-Halbleiterchip implementiert werden kann. Der Mikrolautsprecher basiert auf dem patentierten Prinzip Nanoscopic Electrostatic Drive (NED). Dieses soll den Funktionsumfang von miniaturisierten Kopfhörern erheblich erweitern, so dass Hearables in Zukunft die Internetkommunikation autark übernehmen können.

Was ist Nanoscopic Electrostatic Drive (NED)?

NED sind MEMS-Biegeaktoren, die eine der bimorphen Aktorik (piezoelektrische oder thermomechanische Effekte) vergleichbare Funktionsweise besitzen. Sie werden in Oberflächenmikromechanik (V-NED) oder Volumenmikromechanik (L-NED) auf oder in Silizium-Substraten gefertigt. Das Novum: Durch das Antriebsprinzip ist die Auslenkung der NED-Aktoren wesentlich größer als der Elektrodenspalt. Es können daher große Auslenkungen mit geringen Steuerspannungen erzeugt werden. NED-Aktoren können quasistatisch, resonant aber auch digital – d. h. mit diskreten Auslenkungszuständen – betrieben werden.

Mikrolautsprecher ohne Membran

Das neue Schallwandlerprinzip besitzt keine herkömmliche Membran mehr. Die Membran wird in Streifen zerlegt und in Form von Biegebalken – ähnlich den Saiten einer Harfe – in den Halbleiterchip verlegt. In den 20 μm dünnen Biegebalken sind neuartige elektrostatische Aktoren integriert – so genannte Nano-E-Drives, die durch die Audiosignalspannung zum Schwingen angeregt werden.

Bildergalerie

Diese Schwingungen sind als Schall hörbar. Erreichbar sind Schalldrücke bis zu 120 dB, dabei werden im Gehörgang nur etwa 0,5 mm³ Luft bewegt. Da die Komponenten direkt im Siliziumchip integriert werden können, sind die Mikro-Lautsprecher sehr klein und auch energieeffizienter als herkömmliche Varianten. Anwendungspotenzial haben sie in hochintegrierten In-Ohr-Kopfhörern bzw. Hearable-Anwendungen wie Instant-Übersetzung, Bezahlfunktionen und weitere sprachbasierte Internetdienstleistungen.

Um den akustischen Kurzschluss beiderseits der Balken zu verhindern, sind auf dem Silizium-Wafer Aus- und Einlassschlitze auf der Ober- und Unterseite der Biegebalken angebracht.

Push-Pull-Aktoren für einen MEMS-Lautsprecher

Ein Prototyp wurde nun in der Zeitschrift Nature vorgestellt. Er konnte im Praxistest die Erwartungen an eine hohe Lautstärke und exzellente Klangqualität gepaart mit ausgezeichneter Energieeffizienz bestätigen, berichtet Dr. Bert Kaiser, Geschäftsfeldleiter Monolithisch integrierte Aktor- und Sensorsysteme am IPMS.

Mit einer Anordnung von drei Elektroden in einer gemeinsamen beweglichen Konfiguration auf einem Balken präsentierte das Fraunhofer Institut zum ersten Mal einen symmetrischen Biegewandler, der das sogenannte Push-Pull-Prinzip verkörpert und mit niedrigen Spannungen arbeitet. Ein erster Modellierungsansatz wurde im letzten Jahr vorgestellt. Nun bestätigten die Testergebnisse des ersten Prototyps die Voraussagen aus den theoretischen Ansätzen.

Audiowiedergabe über neun Oktaven

Kaiser berichtet: „Durch die Implementierung unserer neuartigen Push-Pull-Aktoren in einen MEMS-Mikrolautsprecher haben wir insbesondere die Realisierbarkeit einer kommerziell höchst attraktiven Anwendung demonstriert.“ So zeige der erste symmetrische Mikrolautsprecher eine Audiowiedergabe über einen breiten Frequenzbereich von mehr als neun Oktaven (10 Hz bis 6:3 kHz) mit einem Klirrfaktor von unter 1,2 Prozent.

„Wir erwarten daher, dass diese Elektrodenkonfiguration die Entwicklung innovativer elektrostatischer Aktoren für ein breites Spektrum von Anwendungen anregen wird. In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig zu erwähnen, dass die Silizium-Fertigungstechnologie mit der komplementären Metall-Oxid-Halbleitertechnologie kompatibel ist“, so Kaiser weiter.

Symmetrischer Mikrolautsprecher mit extem geringem Stromverbrauch

Die Mikrolautsprecher versprechen zudem große Einsparungen beim Stromverbrauch und der Spitzenstromaufnahme. „Bei den winzigen Batterien moderner In-Ear-Geräte (typisch 60 mAh) ist der größte Teil des Akkubudgets für intelligente Funktionen wie Spracherkennung und drahtlose Konnektivität reserviert“, erklärt Kaiser. Dies beschränke die dem Audiowiedergabesystem zur Verfügung stehende Leistung auf eine kleine, einstellige Milliwattzahl. Mikrolautsprecher müssten diese Leistung unterbieten, um mit klassischen elektrodynamischen oder Balanced-Armature-Lautsprechern konkurrenzfähig zu sein.

Durch die bei den Mikrolautsprechern vorhandene Kombination aus einer vergleichsweise niedrigen Signalspannung und einer geringen Aktorkapazität kann der Mikrolautsprecher mit kleinen, sehr effizienten Ansteuerungen betrieben werden, die an eine kleine Lithium-Polymer- oder Zink-Luft-Batterie angeschlossen sind. Die Lautsprecherchips weisen dabei laut Kaiser eine elektrische Gesamtkapazität von weniger als 1 nF auf. Im Vergleich dazu sind für piezoelektrische Systeme Kapazitätswerte von mehr als 20 nF oder sogar 150 nF veröffentlicht worden.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

„Unsere weitere Forschung an dem System wird sich auch auf die Technologieentwicklung konzentrieren, um die minimal möglichen Spaltabstände zu verringern und gleichzeitig die Flächennutzung zu erhöhen“, resumiert Kaiser. (kr)

Zum Artikel in Nature - Microsystems & Nanoengineering volume 8, Article number: 125 (2022) The push-pull principle: an electrostatic actuator concept for low distortion acoustic transducers

(ID:48862646)