Erster integrierbarer Chip-Miniaturlautsprecher auf MEMS-Basis

Fraunhofer IDMT und ISIT haben leistungsstarke, mit Standard-Siliziumprozessen herstellbare MEMS-Lautsprecher für qualitativ hochwertige Sprach- und Musikwiedergabe entwickelt.

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In-Ear-Kopfhörer brauchen sie ebenso wie Hörgeräte: Miniatur-Lautsprecher. Bislang kommen meist elektromagnetische Membran-Treiber zum Einsatz. Diese haben jedoch oft eine minderwertige Wiedergabequalität. Gründe dafür sind die nichtlineare Signalwandlung, die Schwingungseigenschaften der Komponenten (hohe Masse und hohe Steifigkeit, daher schlechte Tief- und Hochtonwiedergabe) und Eigenresonanzen der Konstruktion.

Neuartige, integrierte Miniaturlautsprecher auf Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) könnten eine Alternative für die Wiedergabe akustischer Signale auf engstem Raum sein – beispielsweise in Kopfhörern, Hörgeräten und mobilen Endgeräten. Die Fraunhofer-Institute für Digitale Medientechnologie IDMT und Siliziumtechnologie ISIT entwickelten MEMS-Schallerzeuger sind als Ein-Wege-System (Mono) lediglich 4 x 4 Quadratmillimeter klein. Trotzdem decken sie den Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz ab. Bei einer Anwendung im Gehörgang liefern sie einen Schalldruckpegel von 110 dB. Reicht weniger Bandbreite, sind sogar bis zu 135 dB möglich.

So funktionieren die MEMS-Lautsprecher

In den MEMS-Schallerzeugern arbeiten piezoelektrische Dünnschichten als aktive Elemente. Beim Anlegen von elektrischer Spannung verformen sie sich. Diese mechanische Auslenkung verdrängt die umgebende Luft und erzeugt so Schallwellen. Silizium hat sich für den Aufbau von MEMS-Lautsprechern bewährt. Der Halbleiterwerkstoff lässt sich dank moderner Chip-Fertigungstechnologien hervorragend in seinen kleinsten Strukturen bearbeiten und ist ideal für diese elektromechanische Anwendung. Noch dazu ist es ein sehr kostengünstiges Material.

MEMS verbindet klassische Halbleitertechnik mit Miniaturmechanik im Mikrometer-Bereich. „Mit dem neuen Ansatz läuten wir einen Paradigmenwechsel ein“, erklärt der Projektverantwortliche am IDMT, Dr. Daniel Beer. Zukünftig könnten Lautsprecher einfach wie Computer-Chips aus Silizium hergestellt werden. Beide Fraunhofer-Institute entwickeln seit drei Jahren im gemeinsamen Forschungsprojekt „Smart Speaker – Smarte MEMS-Lautsprecher für mobile Anwendungen“ an energieeffizienten und komplett integrierbaren Lautsprechern auf Chip-Basis. Dabei herrscht strikte Arbeitsteilung: Während das Fraunhofer ISIT für die Entwicklung und Pilotfertigung von piezoelektrischen Mikroantrieben und deren Integration in miniaturisierte Mikrosysteme verantwortlich ist, beschäftigt sich das Fraunhofer IDMT mit der Signalansteuerung der Miniatur-Lautsprecher.

Technologischer Durchbruch bei Miniaturlautsprechern

Nun verkünden beide Partner den Durchbruch: „Trotz der geringen Größe überzeugen die MEMS-Lautsprecher durch eine hohe Wiedergabetreue und einen geringen Energieverbrauch, was vor allem bei batteriebetriebenen Geräten wichtig ist“ erklärt Fabian Stoppel, Projektleiter am Fraunhofer ISIT. Nicht zuletzt sei durch die Herstellung mit Siliziumtechnologie eine kosteneffiziente Chipproduktion und -montage in Großserie möglich.

Prof. Bernhard Wagner ist Spezialist für Mikrosystemtechnik am Fraunhofer ISIT und für die Gesamtleitung des Fraunhofer-internen Forschungsprojekts zuständig. Er ist überzeugt vom hohen Leistungsgrad der akustischen Mikrosysteme und sieht in den neuen Chip-Lautsprechern sehr großes Potential für zukünftige Einsatzgebiete: „Durch die Kombination unseres Know-Hows im Bereich der MEMS-Technologie und der elektroakustischen Expertise des Fraunhofer IDMT sind hochleistungsfähige Kleinstlautsprecher für zukünftige Audiogeräte entstanden. Diese Lautsprecher erfüllen alle akustischen Anforderungen heutiger Anwendungsfälle im Bereich der tragbaren Kommunikations- und Unterhaltungsgeräte“.

Anpassung für Massenfertigung, bessere Performance, kleinere Bauform

„Der erste große Erfolg ist geschafft. Jetzt sind wir an einem Punkt angekommen, an dem die Idee sich technologisch bewährt hat und wir in die Optimierungsphase eintreten“, erklärt Lautsprecher-Spezialist Beer. Auf der akustischen Seite bedeute dies zum einen, eine noch bessere Performance bei noch geringerem Energieverbrauch zu erreichen. Außerdem soll durch den Aufbau integrierter Mehr-Wege-Systeme die Übertragungsbandbreite auf weit über 20 kHz erweitert werden. „Das versetzt uns in die Lage, auch die hohen Qualitätsansprüche im HD-Kopfhörer-Markt bedienen zu können“, freut sich Dr. Daniel Beer.

Für die Herstellung von MEMS-Lautsprechern sieht Prof. Wagner vom Fraunhofer ISIT folgende wichtige Schritte: „Wir entwickeln derzeit Lautsprecher auf Basis neuer piezoelektrischer Materialien, die noch energieeffizienter und IC-kompatibel sind. Damit wird der Leistungsverbrauch weiter gesenkt und eine Massenfertigung der MEMS-Lautsprecher in allen großen Halbleiterfabriken möglich“. Und Fabian Stoppel fügt hinzu: Wir arbeiten an MEMS-Lautsprechern mit nochmals deutlich geringeren Baugrößen. Dies eröffnet völlig neue Anwendungsfelder und macht die Lautsprecher preislich noch attraktiver“.

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