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Mikrolautsprecher Smarter Alltagshelfer statt Hörgerät – Vision oder Fiktion?

Autor / Redakteur: Lutz Ehrig* / Kristin Breunig

In der Konsumentenelektronik wird die Entwicklung so genannter Hearables vorangetrieben. Geht es nach den Visionen von Marktbeobachtern werden sich viele der neuen Funktionen auch in Hörgeräten wiederfinden. Doch damit diese Visionen nicht nur Zukunftsmusik bleibt, bedarf es einiger technologischer Lösungen.

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Lautsprecher aus 100 Prozent Silizium sind klein, leicht, energieeffizient und gut skalierbar. Der hier abgebildete MEMS-Chip kann in den dahinter liegenden Earbud eingesetzt werden.
Lautsprecher aus 100 Prozent Silizium sind klein, leicht, energieeffizient und gut skalierbar. Der hier abgebildete MEMS-Chip kann in den dahinter liegenden Earbud eingesetzt werden.
(Bild: Arioso Systems)

Künftig könnten technisch fortschrittliche, elektronische In-Ohr-Geräte mit smarten Funktionen, so genannte Hearables, viele Funktionen heutiger Smartphones übernehmen. Die Vision: ein kleiner Knopf im Ohr als Alltagshelfer. Das Hear­able der Zukunft übersetzt, bezahlt, navigiert und überwacht unsere Gesundheit. Und: es dürfte für milde bis moderate Hörverluste eine kostengünstige Alternative zu teuren Hörgeräten bieten.

Auch Hörgerätehersteller profitieren von den rasanten technischen Entwicklungen im Massenmarkt. Ein dauerhaft im Ohr getragener Alltags- und Hörhelfer darf nicht zu groß sein und muss eine lange Laufzeit bieten. Daher wird intensiv an immer kleineren und energieeffizienteren Komponenten geforscht. Diese werden auch für moderne Hörgeräte benötigt. Und noch eine Herausforderung eint die Wettbewerber: Kosten. Für Hörgerätehersteller war dieser Aspekt bisher weniger kritisch. Doch auch sie dürften angesichts der neuen Konkurrenz zunehmend unter Preisdruck geraten.

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Bisherige Lautsprecher sind den Herausforderungen nicht gewachsen

Neben der Batterie verbraucht der Lautsprecher in In-Ohr-Geräten bisher am meisten Platz. Dieser ist auch für einen wesentlichen Teil des Stromverbrauchs verantwortlich. In aktuellen Earbuds finden sich meist elektrodynamische Lautsprecher. Diese sind zwar sehr günstig und haben einen guten Klang, benötigen aber viel Strom. Für einen dauerhaft getragenen Assistenten im Ohr sind sie daher ungeeignet.

In Hörgeräten kommen meist Balanced Armature Transducer als Lautsprecher zum Einsatz. Diese sind klein und energieeffizient, bieten jedoch nur für Sprache einen ausreichend guten Klang. Zudem sind sie sehr teuer, da sie hauptsächlich manuell gefertigt werden.

Wie sieht er also aus, der perfekte Mikrolautsprecher für moderne Hörgeräte und Hearables? Er bietet eine hervorragende Klangqualität – sowohl für Sprache als auch für Musik, ist extrem klein und leicht, sehr energieeffizient sowie leicht skalierbar und damit kostengünstig herzustellen.

Die Lösung: Elektrostatische MEMS-Mikrolautsprecher aus Silizium

Eine Antwort findet sich in der Halbleitertechnologie, genauer in MEMS-Chips. Am Fraunhofer ­IPMS ist die Entwicklung von Mikrolautsprechern aus 100 Prozent Silizium gelungen. Diese erfüllen alle genannten Punkte für In-Ohr-Anwendungen. Die MEMS-Microspeaker funktionieren mit der patentierten NED-(Nanoscopic Electrostatic Drive)-Technologie und werden vom Start-up Arioso Systems weiterentwickelt und vermarktet.

Zum ersten Mal wird mit der NED-­Technologie Klang im Inneren eines Silizium-Chips erzeugt. Die Membran wurde durch hauchdünne „Lamellen“ im Inneren des Chips ersetzt, die MEMS-Bimorph-Biegeaktoren. Durch die Nutzung fotolithographischer Fertigungsmethoden und des so genannten tiefen reaktiven Siliziumätzens können sie mit sehr kleinen Elektrodenspalten gefertigt werden. Die hohen elektrostatischen Kräfte, die durch diese geringen Spaltabstände möglich sind, werden genutzt, um Biegebewegungen zu erzeugen. So wird das Audiosignal auf die Aktoren übertragen. Sie biegen sich und verdrängen Luft, die durch kleinste Öffnungen im Deckel- und Bodenwafer entweicht und so Schall erzeugt. Auf einem aktiven Chipbereich von 10 mm2 lassen sich so mehr als 120 Dezibel Schalldruck erzielen.

Die Biegeaktoren sind paarweise angeordnet. Die verdrängte Luft jedes Paares ist sehr gering. Der gewünschte Schalldruck kommt durch die Vielzahl der Aktoren – einige Hundert je Chip – zustande. Die Anwendung ist zunächst auf im Ohrkanal getragene Geräte ausgerichtet, da hier ein verdrängtes Luftvolumen von ca. 0,5 mm3 ausreicht, um das Trommelfell in Schwingung zu versetzen. Durch die gegenphasig arbeitenden Aktoren bleibt der Microspeaker selbst vibrationsfrei.

Klein, leicht, energieeffizient und einfach zu skalieren

Die Technologie bietet eine sehr gute Klangqualität für alle Anwendungsbereiche. Es ist möglich, den gesamten Audiofrequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz ohne Einschränkungen abzudecken. Die Chips sind klein, leicht und energieeffizient. Da sie aus 100 Prozent Silizium bestehen, können Lautsprecher in großer Zahl parallel produziert werden. Aufgrund der CMOS-Kompatibilität sind dafür keine speziellen Anlagen notwendig.

Individuelle Anpassung durch flexible Anordnung der Aktoren

Der Microspeaker eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Anpassung der geometrischen und akustischen Parameter. Die Biegeaktoren können beliebig angeordnet, gruppiert und für verschiedene Frequenzbereiche optimiert werden. Um den Schalldruckpegel zu vergrößern, kann die Höhe der Balken, d. h. die Dicke des Device-Wafers vergrößert werden.

Ob wir tatsächlich bald statt eines Smartphones in der Tasche ständig einen Knopf im Ohr tragen werden, bleibt abzuwarten. Sicher ist, dass Hörgerätenutzer immer mehr Funktionen und künstliche Intelligenz erwarten und dass die Komponenten dafür kleiner, leichter, sparsamer und auch kostengünstiger werden müssen. Mit MEMS-Lautsprechern aus 100 Prozent Silizium werden die Hörgeräte der Zukunft möglich.

Weitere Artikel über OEM-Komponenten und Werkstoffe finden Sie in unserem Themenkanal Konstruktion.

* Lutz Ehrig ist Mitgründer und Head of Technical Marketing & New Business Development bei Arioso Systems.

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