13.12.2022

Mikrolautsprecher mit klarem Klang

Prototyp zeigt exzellente Audiowiedergabe über mehr als neun Oktaven.

Das Team um Bert Kaiser am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS forscht seit Jahren an einem einzigartigen Aktorensystem für drahtlose Mikro­lautsprecher. Mit einer Anordnung von drei Elektroden in einer gemeinsamen beweglichen Konfi­guration auf einem Balken präsentierte es zum ersten Mal einen symmetrischen Biegewandler, der das Push-Pull-Prinzip verkörpert und mit niedrigen Spannungen arbeitet. Ein erster Modellierungs­ansatz wurde bereits im letzten Jahr vorgestellt. Nun konnten die Test­ergebnisse des ersten Prototyps die Voraussagen aus den theo­retischen Ansätzen bestätigen.

Abb.: Diese Ansicht der Lautsprecher­chips zeigt die Anordnung der Aktoren....
Abb.: Diese Ansicht der Lautsprecher­chips zeigt die Anordnung der Aktoren. (Bild: Fh.-IPMS)

„Durch die Imple­mentierung unserer neuartigen Push-Pull-Aktoren in einen MEMS-Mikrolaut­sprecher haben wir insbesondere die Realisierbarkeit einer kommerziell höchst attraktiven Anwendung demonstriert“, sagt Bert Kaiser. So zeige der erste symmetrische Mikrolaut­sprecher eine exzellente Audio­wiedergabe über einen breiten Frequenzbereich von mehr als neun Oktaven mit einem Klirrfaktor von unter 1,2 Prozent. „Wir erwarten daher, dass diese Elektroden­konfiguration die Entwicklung innovativer elektro­statischer Aktoren für ein breites Spektrum von Anwendungen anregen wird. In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig zu erwähnen, dass die Silizium-Fertigungs­technologie mit der komple­mentären Metall-Oxid-Halbleiter­technologie kompatibel ist“, so Kaiser.

Die Mikrolaut­sprecher versprechen große Einsparungen beim Stromverbrauch und der Spitzenstrom­aufnahme. „Bei den winzigen Batterien moderner In-Ear-Geräte ist der größte Teil des Akkubudgets für intelligente Funktionen wie Sprach­erkennung und drahtlose Konnektivität reserviert“, erklärt Kaiser. Dies beschränke die dem Audiowieder­gabesystem zur Verfügung stehende Leistung auf eine kleine, einstellige Milliwattzahl. „Mikrolaut­sprecher müssen dieses Ziel unterbieten, um mit klassischen elektro­dynamischen oder Balanced-Armature-Lautsprechern konkurrenz­fähig zu sein.“ 

Die bei den Mikrolaut­sprechern vorhandene Kombination aus einer vergleichsweise niedrigen Signal­spannung und einer geringen Aktor­kapazität erlaubt es, den Mikrolautsprecher mit kleinen, sehr effizienten Ansteuerungen zu betreiben, die an eine kleine Lithium-Polymer- oder Zink-Luft-Batterie angeschlossen sind. Die Lautsprecher­chips weisen dabei eine elektrische Gesamt­kapazität von weit weniger als einem Nanofarad auf. Im Vergleich dazu sind für piezo­elektrische Systeme Kapazitäts­werte von mehr als zwanzig oder sogar 150 Nanofarad veröffentlicht worden. „Unsere weitere Forschung an dem System wird sich auch auf die Technologie­entwicklung konzentrieren, um die minimal möglichen Spaltabstände zu verringern und gleichzeitig die Flächen­nutzung zu erhöhen“, sagt Bert Kaiser.

Fh.-IPMS / JOL

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