Siliziumbasierte MEMS-Mikrolautsprecher

FORSCHUNG & ENTWICKLUNG

Das Neuartige an einer vom Fraunhofer IPMS entwickelten Lautsprechertechnologie ist das siliziumbasierte Schallwandlerprinzip, welches keine herkömmliche Membran mehr besitzt. Vielmehr wurde diese gewissermaßen in "Streifen zerlegt" und in Form einer Vielzahl von Biegebalken – ähnlich der Saiten einer Harfe – in einem Siliziumchip vereint. Die dünnen Biegebalken, die nicht breiter sind als der Bruchteil eines Haares, bilden mit ihrem integrierten, elektrostatischen Antrieb eine neuartige Klasse von Biegeaktoren. Beim Anlegen einer Audiosignalspannung werden diese zum Schwingen angeregt und erzeugen hörbare Schallwellen.



Durch die Integration aller Komponenten direkt im Siliziumchip sind diese Klanggeber wesentlich kleiner und energieeffizienter als herkömmliche Lautsprecher. Diese Art Mikrolautsprecher bietet den Raum, eine Vielzahl weiterer Funktionalitäten in zukünftige In-Ohr-Kopfhörer zu integrieren. So erlauben sie smarte Hearable-Anwendungen wie Instant-Übersetzung, Bezahlfunktionen und weitere Internetdienstleistungen. Diese Technologie könnten laut Fraunhofer IPMS in Zukunft sogar die komplette Internetkommunikation übernehmen.


Elektrostatisch ausgelenkte Mikrobalken ...

sind in der Welt von mikro-elektro-mechanischen Systemen (MEMS) weit verbreitet und haben angesichts der aktuellen technologischen Trends einen hohen Stellenwert. Insbesondere die Entwicklung von komplexen Systemen mit vielen MEMS-Einzelkomponenten ist auf das Vorhandensein von zuverlässigen ordnungsreduzierten Modellen angewiesen. Ordnungsreduzierte Modelle können dabei die Ortsabhängigkeit der Auslenkung eines Balkens mit einem einzigen Freiheitsgrad beschreiben, was die Lösung der zugehörigen Gleichungen wesentlich vereinfacht, oder oftmals überhaupt erst ermöglicht. Das Verhalten von Mikrobalken ist jedoch stark nichtlinear, was in der Regel das Ableiten solcher Modelle zu einer Herausforderung macht, da viele solcher Freiheitsgrade benötigt werden, um eine angemessene Genauigkeit zu erreichen.


Forschungsergebnisse veröffentlicht

Im Zuge der Weiterentwicklung und Erforschung dieser Lautsprechertechnologie wurde nun ein Paper veröffentlicht, welches im Nature Journal Microsystems & Nanoengineering erschien. "In diesem Paper wurde ein wichtiger Schritt für die Weiterentwicklung von ordnungsreduzierten Modellen von elektrostatisch ausgelenkten Mikrobalken unternommen, indem die modale Beteiligung von Euler-Bernoulli Moden an der statischen Auslenkung numerisch und experimentell untersucht wird", berichtet Anton Melnikov, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS. "Es stellt sich heraus, dass in dem für MEMS üblichen Parameterbereich die Nullmode über den gesamten Hub des Balkens alle wichtigen Informationen beinhaltet, um das Gesamtverhalten mit hoher Präzession abzubilden", fährt er fort. Diese Erkenntnisse, die im Rahmen eines von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung finanzierten Projekts gewonnen wurden, erlauben die Erstellung von ordnungsreduzierten Modellen basierend auf der Projektion auf die Euler-Bernoulli-Nullmode, was eine akkurate Abbildung von Mikrobalken über einem einzigen Freiheitsgrad ermöglicht.


Die Vermarktung...

...dieser Forschungsergebnisse übernimmt die vom Fraunhofer IPMS 2019 ausgegründete Arioso Systems GmbH. Sie hat die exklusive Verwertung solcher Lautsprecher auf Basis von Silizium-Mikrosystemen als Geschäftszweck. Das Verwertungspotenzial der neuartigen Mikrolautsprecher wird derzeit in Gesprächen mit interessierten Industriekunden evaluiert. 

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