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MEMS-Lautsprecher

CMOS-kompatible elektrostatische Schallwandler

MEMS-Lautsprecher mit Abdeck-Chip auf PCB
Zusammengesetzter MEMS-Lautsprecher mit Abdeck-Chip auf der Oberseite, der die akustischen Öffnungen zeigt. Der MEMS-Chip mit drei verschiedenen Mikrolautsprechern ist auf eine Trägerplatte geklebt, die Drahtbonds zur elektrischen Kontaktierung ermöglicht.
© Fraunhofer IPMS

Mikrolautsprecher, im CMOS-Chip vergraben, sollen noch kleinere, leistungsfähigere und besonders energieeffiziente In-Ohr-Funkkopfhörer ermöglichen. Für die Vermarktung der patentierten Technik hat eine Ausgründung des Fraunhofer IPMS jetzt Investoren für eine erste Finanzierung überzeugt.

2,6 Mio. Euro hat die Arioso Systems GmbH für die Frühfinanzierung (Seed) von Investoren erhalten. Das Unternehmen ist eine Ausgründung des Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden, und bietet als eines der ersten Unternemen weltweit eine CMOS-kompatible Technik für MEMS-Schallwandler an. Es wird nun finanziell unterstützt von Brandenburg Kapital, Potsdam, dem High-Tech-Gründerfonds III, Bonn, dem Technologiegründerfond Sachsen, Dresden, und Business Angeln.

Silizium-Schallwandler für Ohrhörer

Arioso Systems will MEMS-Schallwandler, die sich mit der gängigen CMOS-Fertigungstechnik herstellen lassen, auf den Markt bringen. Diese Mikrolautsprecher basieren auf elektrostatischen Biegeaktoren (NED – Nanoscopic Electrostatic Drive) die am Fraunhofer IPMS entwickelt wurden.

Der neue MEMS-Schallwandler hat keine Membran wie herkömmliche Lautsprecher, sondern viele Biegebalken – ähnlich den Saiten einer Harfe. Sie sind nur 20 μm dünn und befinden sich im Innern eines Si-Chips. Öffnungen an den Ober- und Unterseite des Chips – im rechten Winkel zur Bewegung der Biegebalken – sorgen dafür, dass Luft aus den Kammern entweichen und in die Kammern nachströmen kann, in denen sich die elektrostatischen Biegeaktoren bewegen.

 

MEMS-Mikrolautsprecher

Prinzip des elektrostatischen MEMS-Schallwandler.
© Fraunhofer IPMS
Blick in den MEMS-Chip eines elektrostatischen Schallwandlers.
© Fraunhofer IPMS
Animations-Darstellung MEMS-Schallwandler
© Fraunhofer IPMS

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In den Biegeaktoren erzeugen bis zu 200 nm dünne Elektrodenspalte enorm hohe Kräfte durch elektrostatischer Felder mithilfe einer Steuerspannung, dem Audiosignal. Diese Kräfte führen zu einer Verkrümmung des Biegebalken und der mechanischen Bewegung der »Saite« im Schallwandler.

Durch das Antriebsprinzip ist die Auslenkung der NED-Aktoren wesentlich größer als der Elektrodenspalt. Es können daher große Auslenkungen mit geringen Steuerspannungen erzeugt werden. Durch geeignete Elektroden und eine Anordnung der Aktorzellen auf beiden Oberflächen des Biegeaktors ist eine Bewegungen in beide Richtungen (bidirektional) möglich.

Da die NED-Aktoren direkt im Siliziumchip integriert werden können, nehmen sie nur wenig Volumen ein und sind wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Lautsprecher. Sie ermöglichen es, extrem kleine Mikrolautsprecher zu bauen, z.B. für In-Ohr-Kopfhörer und Hörgeräte.

 


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