»Es kommt nicht auf die Größe an.« Das stimmt – naja – selten. In der Akustik beispielsweise gibt es natürlich einen Zusammenhang zwischen der Größe der Lautsprechermembran und der Intensität, mit der Luftmoleküle in Bewegung gesetzt werden können, um von uns als Töne wahrgenommen zu werden. Umso erstaunlicher ist es, dass es Forschern am Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT und am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT gelungen ist, einen Lautsprecher zu entwickeln, der die Größe eines Mikrochips hat. Und das, obwohl die Schalldruckpegel des einzigartigen Minilautsprechers mit 110 dB bis (bei Reduzierung der Bandbreite) 135 dB mit den aktuell auf dem Markt genutzten Lautsprechern in Kopfhörern locker mithalten kann. Auch bei der Klangqualität müssen sich die 4 mm breiten und 4 mm langen Kleinteile nicht vor der Konkurrenz verstecken. Zumal in Zukunft auch mehrere Miniaturlautsprecher zu einem Mehr-Wege-System kombiniert werden können. Fast noch wichtiger aber ist: Trotz seiner Filigranität kann der Minilautsprecher genauso massenhaft und unkompliziert hergestellt werden wie ein Computerchip aus Silizium.

Ein MEMS-Chip im Vergleich zu herkömmlichen Kopfhörern Bild: Fraunhofer IDMT

MEMS-Aktuatoren für den kleinsten Lautsprecher der Welt

Das Wesentliche der Entwicklung ist der Einsatz hocheffizienter MEMS-Aktuatoren. Das sind mikroelektromechanische Systeme, die klassische Halbleitertechnik mit Miniaturmechanik im Mikrometer-Bereich verbinden. Dabei werden piezoelektrische, mit rund 2 µm extrem dünne Schichten genutzt, um das elektrischen (Audio-)Signal in mechanische Schwingungen zu wandeln. Durch das Schwingen der Mini-Membran(en) wird in der umgebenden Luft dann Schall erzeugt.

Diese Systeme sind zwar nur wenige Millimeter groß. Gemeinsam mit einer ebenfalls am Fraunhofer IDMT entwickelten intelligenten Signalverarbeitung weisen sie aber einen Wirkungsgrad auf, der innerhalb des gesamten hörbaren Spektrums zwischen 20 Hz und 20.000 Hz ordentlich »Dampf« auf’s Ohr lässt – ein entsprechendes Aufdrehen des Kopfhörerausgangs beim (in der Regel) mobilen Soundgerät vorausgesetzt. Denn natürlich eignen sich die smarten Miniatur-Lautsprecher nicht als Ersatz für die heimische Soundanlage. Wohl aber sind sie ideal und voll leistungsfähig, wenn sie in In-Ear-Kopfhörern oder Hörgeräten verbaut werden. Hier bieten sie eine hohe Wiedergabetreue bei geringem Energieverbrauch.

Verfahren wie bei der Chipherstellung

Doch auch wenn einige Audiomagazine seit der Vorstellung der MEMS-Lautsprecher im März dieses Jahres vom »kleinsten Lautsprecher der Welt« schwärmen: »Das Grundlegende ist der Paradigmenwechsel bei der Produktionsweise«, erklärt Daniel Beer, Projektleiter am Fraunhofer IDMT. Lautsprecher dieser Qualität und »Größe« könnten bei den allgemein üblichen Produktionsschritten nicht mehr vollautomatisch, sondern bestenfalls noch halbautomatisch hergestellt werden. Das ist nicht nur teurer. Vor allem kommt auch die Genauigkeit der Prozesse an ihre Grenzen. »Bei MEMS-Bausteinen aber nutzen wir dieselben Verfahren wie in der Chipherstellung. So können wir vollautomatisch Schicht für Schicht hochgenau herausätzen, bis eine Membran entsteht«, betont Beer. Das sei letztlich sogar eine schon bewährte Methode für die Herstellung von Mikrofonen, wo MEMS-Bausteine bereits seit rund zehn Jahren eingesetzt werden. Allerdings mit dem Unterschied, dass der Baustein hier passiv ist, also vom Schall angeregt werden muss, während beim Lautsprecher die MEMS aktiv Luftdruck erzeugen müssen.

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Ein In-Ear-Kopfhörer mit MEMS-Lautsprecher von innen. Bild: Fraunhofer IDMT

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Kaum erkennbar, aber höchst potent: MEMS-Chips in In-Ear-Kopfhörern. Bild: Fraunhofer IDMT

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Die schematische Darstellung der MEMS-Aktuatoren. Bild: Fraunhofer ISIT

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Die MEMS-Chips sind zwar sehr klein und können in Masse vollautomatisch produziert werden, aber ihre Größe lässt sich auch nach oben skalieren. Bild: Fraunhofer IDMT

Komplettelemente für In-Ear-Geräte

Im Vergleich zu konventionell produzierten Lautsprechersystemen hat ein MEMS-Baustein noch einen anderen, deutlichen Vorteil: Während ein klassisches System aus Komponenten verschiedener Hersteller zusammengesetzt werden muss und beispielsweise Gehäuse, Verstärkerchip und Ansteuerung miteinander kombiniert werden müssen, lassen sich nun alle Einheiten auf einem Modul vereinen. »Die Herstellung dieser Komplettelemente trägt zusätzlich zur Vereinfachung der Produktion bei«, sagt Beer.

Doch bis es so weit ist und wir MEMS-Lautsprecher am beziehungsweise im Ohr haben, dürften noch rund zwei Jahre vergehen, schätzt Beer. Die grundsätzliche Entwicklung der MEMS-Lautsprecher seitens des Fraunhofer IDTM sei zwar abgeschlossen. Nun aber müsse man damit beginnen, die ersten Schritte in Richtung industrielle Produktion zu gehen.

(aku)