MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme und verbindet klassische Halbleitertechnik mit Miniaturmechanik im Mikrometer-Bereich. »Mit dem neuen Ansatz läuten wir einen Paradigmenwechsel ein. Zukünftig können Lautsprecher einfach wie Computer-Chips aus Silizium hergestellt werden«, erklärt der Projektverantwortliche am IDMT, Dr. Daniel Beer.

Beide Fraunhofer-Institute arbeiten seit drei Jahren in dem gemeinsamen Forschungsprojekt »Smart Speaker – Smarte MEMS-Lautsprecher für mobile Anwendungen« an der Entwicklung von energieeffizienten und komplett integrierbaren Lautsprechern auf Chip-Basis. Während das Fraunhofer ISIT im Projekt für die Entwicklung und Pilotfertigung von piezoelektrischen Mikroantrieben und deren Integration in hochminiaturisierte intelligente Mikrosysteme verantwortlich ist, beschäftigt sich das Fraunhofer IDMT mit der intelligenten Signalansteuerung der Miniatur-Lautsprecher.

Technologischer Durchbruch bei Miniaturlautsprechern

Jetzt ist der Durchbruch gelungen und die beeindruckenden Eigenschaften des chipbasierten Lautsprechers werden auf der DAGA präsentiert. Mit einer Fläche von aktuell 4x4 Millimetern ist der MEMS-Lautsprecher optimal in Kopfhörer, Hearables und Hörgeräte integrierbar. »Trotz der geringen Größe überzeugen die MEMS-Lautsprecher durch eine hohe Wiedergabetreue und einen geringen Energieverbrauch, was vor allem bei batteriebetriebenen Geräten von hoher Relevanz ist« erklärt Fabian Stoppel, verantwortlicher Projektleiter am Fraunhofer ISIT. »Nicht zuletzt ist 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 Lautsprechern auf Chip-Basis 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 komplett die akustischen Anforderungen heutiger Anwendungsfälle im Bereich der tragbaren Kommunikations- und Unterhaltungsgeräte«.

Nächste Schritte: Anpassung für Massenfertigung, bessere Performance, noch geringerer Energieverbrauch, 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 der Lautsprecher-Spezialist Beer. Auf der akustischen Seite bedeutet dies zum einen, eine noch bessere Performance bei noch geringerem Energieverbrauch zu erreichen. Außerdem soll durch die Realisierung 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«.

Wie funktioniert das Prinzip der MEMS-Lautsprecher?  

Piezoelektrische Dünnschichten werden als aktive Elemente verwendet, die sich beim Anlegen von elektrischer Spannung verformen. Diese mechanische Auslenkung verdrängt die umgebende Luft und erzeugt so Schallwellen. Die Verwendung von Silizium für die Entwicklung von MEMS-Lautsprechern hat sich dabei bewährt. Der Halbleiterwerkstoff Silizium lässt sich dank moderner Chip-Fertigungstechnologien hervorragend in seinen kleinsten Strukturen bearbeiten und ist ideal für diese elektromechanische Anwendung. Und noch dazu ist es ein sehr kostengünstiges Material.
 

Das Fraunhofer ISIT in Itzehoe ist eine der europaweit modernsten Forschungseinrichtungen für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Herzstück des Instituts sind die Reinraumanlagen, groß genug, um nicht nur Forschung zu betreiben, sondern auch, um die entwickelten Mikrochips im industriellen Maßstab zu fertigen. 160 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln im ISIT in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie Bauelemente der Leistungselektronik und Mikrosysteme mit feinen beweglichen Strukturen für die Sensorik (Druck, Bewegung, biochemische Analytik etc.) und die Aktorik (Ventile, Scanner, Spiegelarrays etc.) einschließlich der dazu notwendigen Gehäusetechnik. Diese miniaturisierten Bauelemente finden ihren Einsatz in der Medizin, in der Umwelt - und Verkehrstechnik, in der Kommunikationstechnik, in der Automobilindustrie und im Maschinenbau.