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Piezoresistives MEMS-Silizium hilft, winzige Lautsprecher neu zu erfinden

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Die Solid-State-MEMS-Technologie verspricht höhere Leistung und geringeres Gewicht für Hörgeräte und Mikro-Lautsprecher.

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Während die Halbleitertechnologie dazu beigetragen hat, das Design vieler Produkte zu verbessern, hat sie einen Bereich nicht berührt: die Lautsprecher, die meist noch auf der traditionellen Schwingspulentechnologie beruhen. Die Schwingspulentechnologie ist zwar kostengünstig und einfach zu bauen, aber sie unterliegt einem langsamen Einschwingverhalten und einer ungenauen Wiedergabe sowie Zuverlässigkeitsproblemen durch Feuchtigkeit und Stöße.

Ein neu gegründetes Unternehmen namens xMEMS entwickelt seit einigen Jahren die piezoresistive MEMS-Siliziumtechnologie und passt diese Technologie für den Bau winziger Lautsprecherwandler an. Nach mehreren Jahren der Bemusterung von Teilen hat das Unternehmen damit begonnen, die Produktion von Lautsprecherwandlern für Erstausrüster, die Mikrolautsprecher und Hörgeräte herstellen, hochzufahren.

xMEMS verwendet die piezoelektrische Dünnschicht-Siliziummembrantechnologie zur Herstellung von Wandlern, die die Spule und den Magneten für Lautsprecher ersetzen. Mit dieser Technologie wird ein funktionaler Wandler auf Die-Ebene hergestellt. Dieser Wandlerchip kann in Standard-Halbleitergehäusen untergebracht und mit herkömmlichen Halbleiterfertigungsanlagen für die Oberflächenmontage verarbeitet werden. Die siliziumbasierten Lautsprecher können während der Wafersortierung getestet werden.

Die piezoelektrische Technologie gibt es schon seit Jahren, aber der Durchbruch, der ihre Verwendung in Lautsprechern ermöglichte, war zum Teil das Werk von TSMC, der in Taiwan ansässigen Foundry, die ein sehr dünnes piezoelektrisches Material entwickelt hat, so Zachi Friedman, Director of Product Marketing.

"Ursprünglich hat TSMC das Material hergestellt, aber wir haben ihnen geholfen, das Material für die Verwendung in Lautsprecherwandlern weiterzuentwickeln", sagte Friedman in einem Interview mit Design News.

In Kombination mit Silizium als Lautsprechermembran anstelle von Plastik oder Papier wird der Wandler zu einem Festkörperlautsprecher. Nach Angaben des Unternehmens ist der Lautsprecher nur etwa ein Zehntel so schwer und 40 Prozent so groß wie ein vergleichbarer Spulenlautsprecher. Da es keine beweglichen Teile gibt, gilt ein xMEMS-Festkörper-Mikrolautsprecher als zuverlässiger und langlebiger als ein auf Schwingspulen basierender Lautsprecher und erfüllt sogar die IP58-Normen zum Schutz vor Staub und Schweiß.

Höhere Leistung

Das Solid-State-Design kommt auch der Leistung zugute. Laut xMEMS sind die mit der piezoresistiven MEMS-Siliziummembran-Architektur hergestellten Lautsprecher nachweislich 95-mal steifer, bieten eine bessere Klarheit und eliminieren die matschige Mittel- und Hochtonwiedergabe, die durch herkömmliche Lautsprechermembranmaterialien entsteht.

Die Siliziummembran-Architektur liefert Berichten zufolge auch eine 150-mal schnellere Impulsantwort als herkömmliche Designs und verbessert die Klangwiedergabe im Vergleich zu Spulenarchitekturen.

xMEMS hat mit der Bemusterung eines Wandlers begonnen, der seine piezoresistive MEMS-Technologie, genannt Montara, ab 2020 für den Einsatz in Mikro-Lautsprechern nutzt. Das Unternehmen hat kürzlich mit der Auslieferung von drei Solid-State-Fidelity-Lösungen begonnen

Die erste ist Cowell, ein winziger Solid-State-Mikrolautsprecher, der für TWS-Kopfhörer und Hörgeräte eine hohe Frequenzwiedergabe und Klarheit sowie eine breitere Klangbühne bietet.

Die zweite ist Skyline DynamicVent, ein piezoMEMS, DSP-gesteuertes Ventil, das die Vorteile von offen und geschlossen sitzenden Ohrhörern und Hörgeräten vereint. Skyline bietet eine aktive Umgebungskontrolle (AAC), die die unangenehme Verstärkung der eigenen Stimme oder Schritte eliminiert, wenn die Ohren bedeckt sind.

Der dritte im Bunde ist Montara Plus, der Nachfolger von Montara, der einen Schalldruckpegel von bis zu 120 dB bei 200 Hz erreichen kann und sich damit als Schallwandler mit voller Bandbreite für audiophile, hochauflösende In-Ear-Monitore eignet. Dieses Design kann einen Weg zu kleineren, leichteren und einfacheren IEM-Designs ebnen, ohne die Phasenausrichtung und die Designkomplexität von IEM-Implementierungen mit mehreren Treibern.

Laut Zachi Friedman von xMEMS erwartet das Unternehmen, dass OEM-Anwendungen mit seiner piezoresistiven MEMS-Silizium-Lautsprechertechnologie noch in diesem Jahr auf den Markt kommen werden.