Die kleinsten Lautsprecher der Welt

14.6.2018

Sie sind nur wenige Millimeter groß und können damit optimal in Kopfhörer, Hearables oder Hörgeräte eingebaut werden: die weltweit ersten integrierten Miniaturlautsprecher auf MEMS-Basis. Die Lautsprecher sind nicht nur kompakt; sie überzeugen auch durch ihre hohe Wiedergabetreue und den geringen Energieverbrauch. Entwickelt wurden sie am Fraunhofer IDMT in Ilmenau und dem Fraunhofer ISIT in Itzehoe.

© Fraunhofer ISIT

Die MEMS-Lautsprecher können unter anderem für die qualitative Sprach- und Musikwiedergabe in Kopfhörern eingesetzt werden.

© Fraunhofer ISIT

Größenvergleich: Der Chip eines MEMS-Lautsprechers auf einer 20-Cent-Münze.

Bei einer Membrangröße von gerade einmal 4 mm und einer Chip-Dicke von 0,4 mm decken die Lautsprecher als Ein-Wege-System den Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz ab. Sie erzielen bei der In-Ohr-Anwendung einen Schalldruckpegel von 110 dB. Das ist so laut wie auf einem Rockkonzert. Bei einer reduzierten Bandbreite sind sogar bis zu 135 dB möglich.

Technologischer Durchbruch bei Chip- Lautsprechern

Beide Fraunhofer-Institute arbeiten seit drei Jahren in dem gemeinsamen Forschungsprojekt »Smart Speaker – Smarte MEMS-Lautsprecher für mobile Anwendungen« an der Entwicklung energieeffizienter und komplett integrierbarer Lautsprecher auf Chip-Basis: Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT ist dabei für die Entwicklung und Pilotfertigung von piezoelektrischen Mikroantrieben und deren Integration in hochminiaturisierte intelligente Mikrosysteme verantwortlich. Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT beschäftigt sich mit der intelligenten Signalansteuerung der Miniaturlautsprecher.

Positive Resonanz aus der Industrie

Im März präsentierten die beiden Forschungseinrichtungen auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Akustik (DAGA) ihre integrierte MEMS-Lautsprechertechnologie in Form eines In-Ear-Kopfhörers. Sie bekamen dafür sehr positive Rückmeldungen aus Industrie und Wissenschaft. »Besonders gelobt wurde der druckvolle, ausgewogene Klang sowie die herausragende Brillanz im Hochtonbereich«, erklärt Fabian Stoppel, Projektverantwortlicher und Leiter der Gruppe für akustische MEMS am Fraunhofer ISIT.

Und auch der Koordinator für das Gesamtprojekt, Prof. Bernhard Wagner vom Fraunhofer ISIT, ist überzeugt vom hohen Leistungsgrad der akustischen Mikrosysteme. Er sieht sich durch das positive Feedback aus der Industrie bestätigt: »Unsere Lautsprecher erfüllen für Hörgeräte, In-Ohr- Kopfhörer und Hearables bereits die Marktanforderungen. Sie können mit gerade einmal 1–2 V auskommen und verfügen über hohe Leistungsreserven«, freut sich Prof. Wagner.

Nächste Schritte: Anpassung für Massenfertigung, bessere Performance, noch geringerer Energieverbrauch

Der erste große Erfolg ist geschafft. Die Institute arbeiten jetzt an der Optimierung für den Einsatz in In-Ohr-Kopfhörern und an Lautsprechern, die auch für Geräte funktionieren, die weiter vom Ohr entfernt sind, wie z. B. Handys, Tablets und Laptops. »Jetzt sind wir an einem Punkt angekommen, an dem die Idee sich technologisch bewährt hat und wir in die Optimierungsphase eintreten. Durch die intelligente Ansteuerung werden die Lautsprecher künftig dauerhaft in jeder Anwendung überzeugende Leistung und Klangqualität bieten«, erklärt Dr. Daniel Beer, Projektverantwortlicher am Fraunhofer IDMT. Am Fraunhofer ISIT werden aktuell Lautsprecher auf Basis neuer piezoelektrischer Materialien entwickelt, die noch energieeffizienter und CMOS-kompatibel sind. Damit wird der Leistungsverbrauch weiter gesenkt und eine kostengünstige Massenfertigung in allen großen Halbleiterfabriken möglich. Zudem arbeitet das Institut daran, die Baugrößen der Miniaturlautsprecher weiter zu verringern, wodurch sich neue Anwendungsfelder eröffnen und die MEMS-Lautsprecher auch für den Einsatz im preisgünstigen Segment attraktiv werden.