Einblick in unsere Forschung

Lautsprecher – klein, kleiner, MEMS-Chip!

Der Trend zu mikroelektronischen Bauteilen und Mikrosystemen mit integrierten Sensoren und Aktoren ist unaufhaltsam – spätestens seit dem deutlichen Zuwachs an mobilen Endgeräten. Viele der für mobile Geräte notwendigen Komponenten wurden bereits mit Hilfe der sogenannten »MEMS-Technologie« miniaturisiert und integriert. Sie sind damit als kostengünstige Massenware produzierbar. An der Lautsprecherentwicklung ist dieser Trend bisher vorbeigegangen und so gibt es bisher nur konventionelle elektrodynamisch arbeitende Miniaturlautsprecher mit unbefriedigender Klangqualität und zu großen Abmessungen.

© Foto Fraunhofer ISIT

Prototyp eines MEMS-Aktors

© Foto Fraunhofer IDMT

Ein Signal wird auf einen Lautsprecher gegeben. Die Spannungsamplitude des Signals nimmt linear zu (Darstellung 1). Die Auslenkung der Lautsprechermembran verläuft aber nicht gleichförmig mit dem Anstieg des Signals – vielmehr geht sie ab einer gewissen Eingangsspannung in einen Sättigungsbereich über. Das Eingangssignal kann demnach ab einer bestimmten Signalamplitude nicht mehr linear vom Lautsprecher wiedergegeben werden – der Lautsprecher verzerrt (Darstellung 2). Mit Blick auf eine gute Klangqualität muss der konventionelle Lautsprecher deshalb im Pegel begrenzt werden. Unter Zuhilfenahme einer angepassten Signalansteuerung kann aber auch das nichtlineare Verhalten des ursprünglichen Lautsprechers bei nahezu gleichem Schalldruckpegel reduziert werden. Es gelingt somit die Kombination aus kleinsten Abmessungen und gesteigerter Klangqualität.

Eine unbefriedigende Klangqualität entsteht dadurch, dass ab einer bestimmten Eingangsspannung die Lautsprecher übersteuert werden. Dann verändert sich die gleichmäßige Bewegung der Lautsprechermembran und es kommt zu Verformungen (Nichtlinearitäten) des Auslenkungssignals. Das Ergebnis ist ein sogenanntes Klirren am Lautsprecher und damit eine Verschlechterung der Klangqualität. Je kleiner der Lautsprecher ist, umso schneller ist diese Übersteuerung erreicht.

Weitere Probleme konventioneller Lautsprecher sind, dass durch ihren klassischen Aufbau der Miniaturisierung physikalische und fertigungstechnische Grenzen gesetzt sind und deren Produktion verschiedenste Materialien und Montageschritte erfordern. Außerdem ist die Verarbeitung auf den Mainboards von Endgeräten sehr schwierig und die Lautsprecher unterliegen unerwünschten Qualitätsschwankungen.

Ziel

Gemeinsam mit dem Fraunhofer ISIT arbeitet das Fraunhofer IDMT innerhalb eines Forschungsprojekts an der Lösung dieser Probleme. Ziel ist es, einen

  • miniaturisierten
  • energieeffizienten und
  • hochintegrierbaren

Lautsprecher zu fertigen, der für mobile Kommunikationsgeräte, Tablets, Laptops und Kopfhörer eingesetzt werden kann.

Dabei machen sich die Entwickler die Vorteile der MEMS-Technologie zu Nutze. MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme und verbindet klassische Halbleitertechnik mit Miniaturmechanik im Mikrometer-Bereich.

MEMS bestehen aus dem Halbleiterwerkstoff Silizium, der sich mit den hochentwickelten Chip-Fertigungstechnologien hervorragend in kleinsten Strukturen bearbeiten lässt und zudem auch ideal für elektromechanische Anwendungen geeignet ist. In dem Forschungsvorhaben werden neue, hocheffiziente MEMS-Lautsprecher unter anderem mit piezoelektrischem Antrieb gefertigt und getestet.

Während das Fraunhofer ISIT für die Entwicklung und Pilotfertigung von Mikrosensoren und Mikroaktoren sowie deren Integration in hochminiaturisierte intelligente Mikrosysteme verantwortlich ist, beschäftigt sich das Fraunhofer IDMT mit der intelligenten Signalansteuerung der MEMS-Lautsprecher. Ziel ist es hierbei, den Klirrfaktor der miniaturisierten Lautsprecher durch eine gezielte Signalansteuerung zu minimieren und die akustische Leistung zu maximieren. Im Projekt werden dafür verschiedene Lautsprechertypen entwickelt und akustisch und physikalisch vermessen. Aufgrund der Messdaten werden dann theoretische Modelle zur optimierten Ansteuerung entwickelt. Hierfür machen sich die Entwickler die effizienzsteigernden Ansätze aus der klassischen Lautsprechertechnologie  zu Nutze und adaptieren diese für die neu zu entwickelnden Lautsprecher. Durch eine bestimmte Anordnung und Ansteuerung von mehreren Lautsprechern zu Arrays können zudem noch höhere Schalldruckpegel erreicht werden.  Mithilfe sogenannter Beamforming-Technologien kann dann sogar eine positionsgenaue Schallabstrahlung erfolgen.

»Im Bereich der Entwicklung von MEMS-Lautsprechern begeben wir uns mit diesem Projekt auf wissenschaftliches Neuland. MEMS-Mikrofone gibt es bereits und sie sind ein großer wirtschaftlicher Erfolg, denn sie arbeiten zuverlässig, sind robust gegen mechanische Einwirkungen und aufgrund ihrer kleinen Abmessungen gut integrierbar. Das wollen wir auch für die MEMS-Lautsprecher schaffen – kombiniert mit einer soliden Leistungsstärke und sehr guter Klangqualität«, wünscht sich Dr. Daniel Beer, Lautsprecherexperte und Projektverantwortlicher am Fraunhofer IDMT.

Projektpartner

Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT mit Sitz in Itzehoe arbeitet gemeinsam mit dem Fraunhofer IDMT an der Realisierung des Projekts, das noch bis März 2018 läuft. Das Fraunhofer ISIT in Itzehoe ist eine der europaweit modernsten Forschungseinrichtungen für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik und entwickelt Bauelemente der Leistungselektronik und Mikrosysteme mit feinen beweglichen Strukturen für die Sensorik und die Aktorik einschließlich der dazu notwendigen Aufbau- und Verbindungstechnik.

Gesamtprojektleiter Prof. Dr. Bernhard Wagner vom Fraunhofer ISIT sieht in der interdisziplinären Zusammenarbeit von Akustik-Experten des Fraunhofer IDMT und den MEMS-Experten des Fraunhofer ISIT großes Potential: »Wir hoffen sehr auf neue technologische Lösungen auf dem Gebiet der akustischen Mikrosysteme«.

 

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