Kleiner MEMS im Ohr

Sie verstecken sich in unserem Alltag in Airbags, Shutter-Brillen oder Inkjet-Druckköpfen: MEMS vereinen Schaltkreise, Halbleitertechnologie und mechanische Teile in nur mikrometergroßen Systemen. Damit könnten sie demnächst auch Schallwandler in Smartphone-Lautsprechern, Kopfhörern und Hörgeräten ersetzen, denn Platz und Akku-Energie sind dort ein teures Gut.

Bislang findet man MEMS in der Audiotechnik in winzigen Mikrofonen – die ersten MEMS-Kondensatormikrofone wurden bereits 1983 an der TU Darmstadt erfunden. Seitdem treiben in Deutschland vor allem das Fraunhofer ISIT und Siemens die Entwicklung voran.

Lautsprecher ähneln von ihrem Aufbau her MEMS-Mikrofonen, die es als Feldeffekttransistor- (FET-), Kondensator- oder als piezoelektrische Typen gibt. Piezos sind elastische Kristalle, die bei Verformung elektrische Spannung erzeugen. Kristallstäbe werden auf einer Membran angebracht, die unter Schalleinfluss ausgelenkt wird und so die Kristalle verbiegt. Dieser piezoelektrische Effekt ist umkehrbar: Legt man eine Spannung an, verformt sich der Kristall und lenkt die Membran aus. So können Piezos auch als Lautsprecher dienen.

Der Vorteil der MEMS-Technik ist, dass der Schallsensor und die dazugehörige Vorverstärkerschaltung zusammen auf einer Platine Platz finden. Ein MEMS-Komplettpaket inklusive Sensor, Wandler und Verstärker ist als IC nur wenige Kubikmillimeter groß.

In hoher Stückzahl ist die Produktion sehr kostengünstig. Gefertigt werden MEMS von Halbleiter-Firmen wie ST, Analog Devices, Wolfson und Knowles.

Doch die Vorteile bei Größe, Energieaufnahme und bei den Herstellungskosten werden mit Nachteilen bei der Audioqualität erkauft. So leiden MEMS-Mikrofone unter einem geringen Rauschabstand und einem eingeschränkten Dynamikbereich. Außerdem weisen sie ausgerechnet in Niederspannungsbetrieb starke Verzerrungen auf.

Hohe Resonanz

Will man die Technik bei Lautsprechern einsetzen, hat man das grundsätzliche Problem, dass die winzige schwingende Fläche nur sehr geringe Pegel erzeugen kann. Zudem liegt die tiefste Eigenfrequenz der Mikrosysteme im Kilohertz-Bereich. Bereits mit wenig Energieeinsatz entstehen dort hohe Amplituden, aber leider auch starke unerwünschte Verzerrungen. In den tieferen Frequenzbereichen sind MEMS-Lautsprecher wiederum zu leise.

Das österreichische Startup USound will noch in diesem Jahr erste MEMS-Lautsprecher für In-Ear-Kopfhörer und als Hochtöner für Mobilgeräte auf den Markt bringen. Bei den In-Ear-Kopfhörern namens “Moon” erlaubt der luftdichte Abschluss des Ohrkanals durch eine Gummimanschette auch sehr tiefe Frequenzen bis in den Infraschallbereich sauber zu übertragen. Am oberen Ende begrenzen Gehäuseresonanzen das Frequenzband bei rund 16 kHz. Beim Prototypen stört laut Datenblatt noch ein vergleichsweise hoher Klirrfaktor (THD) von 1,4 Prozent (bei 1 kHz und 100 dB SPL) den Musikgenuss. Bis zur Marktreife will USound ihn noch verbessern und den Schalldruck von 96 dB SPL (1 mW bei 1 kHz) erhöhen. Die Mikro-Lautsprecher haben eine Abmessung von 5 mm × 7 mm × 2 mm und setzen PZT als piezoelektisches Material ein.

USound arbeitet darüber hinaus an flacheren MEMS-Lautsprechern, die 1 bis 1,4 mm dünn sind und als effiziente Hochtöner beispielsweise in Smartphones eingesetzt werden könnten. Laut USound sollen sie 50 Prozent weniger Energie als herkömmliche Lautsprecher aufnehmen und einen Frequenzbereich von 1,8 kHz bis hinein in den Ultraschallbereich von 40 kHz abdecken. So könnten sie die Hochtonwiedergabe in Smartphones verbessern, ließen sich aber auch als Ultraschall-Sender für Abstands-Sensoren einsetzen.

Bis MEMS-Lautsprecher so gut klingen, dass sie im Hi-Fi-Markt mitmischen können, vergehen vermutlich noch ein paar Jahre. Vielleicht bekommen sie langfristig sogar Konkurrenz von ihren kleinen Geschwistern: den Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS). (hag@ct.de)