MEMS basierte Kopfhörer

Drahtlose Kopfhörer mit MEMS Lautsprechern für das Internet of Voice

Ausschnitt geöffneter Chip eines MEMS Mikrolautsprecher Bauelementes mit parallel angeordneten Aktor-Paaren
© Fraunhofer IPMS
Ausschnitt geöffneter Chip eines MEMS Mikrolautsprecher Bauelementes mit parallel angeordneten Aktor-Paaren
MEMS Chip mit drei Mikrolautsprecher Bauelementen auf Trägerplatine zur Ansteuerung
© Fraunhofer IPMS
MEMS Chip mit drei Mikrolautsprecher Bauelementen auf Trägerplatine zur Ansteuerung

Sprachbasierte Internetdienstleistungen werden von vielen Nutzern immer öfter als zentraler Bestandteil künftiger Datenverarbeitung akzeptiert. Beispielsweise im Auto, im Smartphone und im Wohnzimmer. Gleichermaßen richten renommierte Hardware- und Content-Anbieter ihr Geschäft auf solche Produkte, die auch in internetfähigen mobilen Endgeräten direkt im Ohr getragen zum Einsatz kommen. Heute sind zahlreiche sprachbasierte Dienste verfügbar. Beispiele sind Simultanübersetzer, Bezahldienste und Marketinglösungen[1]. Die Vision eines dauerhaft im Ohr getragenen Internet-of-Voice nimmt somit Gestalt an. Die dafür prädestinierten Hearables beanspruchen immer mehr das Erbe der Smartphones anzutreten und emanzipieren sich vom weniger smarten Bluetooth Headsets.

Hearables enthalten zukünftig nicht nur Audiotechnologien, sondern darüber hinaus auch leistungsfähige Prozessoren zur Datenverarbeitung und sind über Funkschnittstellen direkt mit dem Internet verbunden. Ähnlich zu den GPU für Smartphone-Displays werden somit (neben den Funkschnittstellen) die Prozessoren den Energiebedarf der zukünftigen Hearables und somit deren Laufzeit dominieren. Da der Platz und somit die Kapazität des Akkus im Ohr sehr begrenzt ist, müssen dadurch alle anderen Komponenten mit sehr geringem Energiebudget auskommen um eine ausreichende Laufzeit zu ermöglichen.

Für eine zentrale Kernkomponente der Hearables - dem Im-Ohr-Lautsprecher – hat das Fraunhofer IPMS ein neues, leistungseffizientes Schallwandlerprinzip entwickelt und im Fachblatt Nature Microsystems and Nanoengineering vorgestellt. Durch die Veröffentlichung der wissenschaftlichen Erkenntnisse sind sich Fachleute über die Neuheit und Bedeutung einig. Damit wird der innovative Ansatz einem breiten Fachpublikum zugänglich.

Seit dem Einreichen der Arbeit beim Journal zu Beginn des Jahres sind die Arbeiten intensiv fortgesetzt worden. Die nachfolgende verbesserte Generation MEMS Lautsprecher befindet sich bereits im Labor. Neben weiter verbesserter Linearität und höherem Schalldruck konnte auch die Ansteuerspannung und somit die Leistungsaufnahme weiter abgesenkt werden.

Zusätzlich zur weiteren Steigerung der Kennwerte rückt nun auch die Integration insbesondere mit der Ansteuerungselektronik zunehmend in den Fokus der Arbeiten am IPMS.

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MEMS Technologie für Kopfhörer

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MEMS based headphones

Kaiser et al. in Nature Microsystems & Nanoengineering (2019)

Veröffentlichung

Concept and proof for an all-silicon MEMS microspeaker utilizing air chambers

Patent

Mems transducer for interacting with a volume flow of a fluid.

Pressemitteilung

Fraunhofer und BTU Cottbus Senftenberg präsentieren erstmals MEMS Lautsprecher ohne Membran im Fachblatt Nature Microsystems and Nanoengineering

Fraunhofer und BTU Cottbus Senftenberg präsentieren erstmals MEMS Lautsprecher ohne Membran im Fachblatt Nature Microsystems and Nanoengineering

Presseinformation (9.10.2019) - Die Vision eines dauerhaft im Ohr getragenen Internet-of-Voice nimmt Gestalt an.

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 Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) ein neues, leistungseffizientes Schallwandlerprinzip entwickelt und erstmals im Wissenschaftsmagazin Nature Microsystems and Nanoengineeringdetailliert 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.