Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2023

©  Foto: Fraunhofer / Piotr Banczerowski
 

Joseph-von-Fraunhofer-Preisträger 2023:

Dr. Bert Kaiser und Dr. Sergiu Langa (Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS)
Holger Conrad (Bosch Sensortec GmbH)

In-Ohr-Kopfhörer, die kabellos in den Hörgang gesteckt werden, könnten das Smartphone künftig ablösen. Die Basis dafür legt ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS und der Bosch Sensortec GmbH mit einer neuartigen Technologie für die integrierten Mikrolautsprecher.  

Was heute das Smartphone ist, können künftig intelligente In-Ohr-Kopfhörer mit direkter Internetschnittstelle sein: Soziale Schnittstelle, Shopping Mall und Unterhaltungselement in einem. Elementar dafür sind ein minimaler Energieverbrauch und ein geringes Bauvolumen, eine geringe Leistungsaufnahme bei hohem Schalldruck sowie niedrige Produktionskosten. Dafür bieten sich Mikroelektromechanische Systeme, kurz MEMS, an. Doch bislang mangelte es am Herzstück der In-Ohr-Kopfhörer: den geeigneten Lautsprechertechnologien. Die Technologien, die derzeit auf dem Markt sind, sind für solche anspruchsvollen Anwendungen noch nicht geeignet – sei es aufgrund des Miniaturisierungsgrads, der Integrationsfähigkeit, der Kostenreduktion, der Skalierbarkeit der Produktion oder der Leistungsaufnahme bei hohen Schalldrücken.

Mikrolautsprecher – erstmals funktional und sparsam
Dr. Bert Kaiser und Dr. Sergiu Langa vom Fraunhofer IPMS sowie Holger Conrad – mittlerweile bei der Bosch Sensortec GmbH tätig – entwickelten das fehlende Herzstück: Mini-Lautsprecher, die gänzlich aus Silizium bestehen, sich über Mikroelektronik-Technologien herstellen lassen und die geforderte Lautheit von 120 Dezibel ohne hohen Energiebedarf erreichen.

Neue Ansätze bei Design und Antriebstechnologie
Die Entwicklung gelang aufgrund von zwei neuartigen wissenschaftlichen Ansätzen: Einerseits einem gänzlich neuen Design des Lautsprechers, der nicht wie üblich auf einer vertikal auslenkbaren Membran beruht, sondern bei dem sich die schallverdrängenden Elemente senkrecht in einem Silizium-Chip befinden. Andererseits auf einer neuen Antriebstechnologie für diese Elemente, den Nano-e-drive-Aktoren, die die Schallerzeugung erst möglich machen. Beide Neuerungen sind kaum voneinander zu trennen. Mit der Aktorik, einem elektrostatischen Hebel, haben die Forschenden ein grundlegendes Problem gelöst: Auf diese Weise lassen sich sehr große Auslenkungen und somit große Lautstärken realisieren. Legt man eine Spannung an, bewegt sich der Hebel – wie ein elektrostatischer Muskel. Zahlreiche solcher Hebel stapelten die Forschenden hochkant in den Chip. Sie bilden quasi eine Lautsprechermembran, allerdings nicht wie bisher in der Fläche, sondern in das Volumen hinein. Bewegen sich die Hebel angeregt durch eine Spannung, pressen sie das Luftvolumen über eine Auslassöffnung aus dem Chip heraus und erzeugen somit die Töne. Diese Idee wurde in zahlreiche Diskussionen auch mit dem Institutsleiter des Fraunhofer IPMS, Prof. Harald Schenk, geboren.

Um die Lautsprecher zu vermarkten, wurde 2019 die Arioso Systems GmbH als Spin-off des Fraunhofer IPMS und der Forschungsarbeiten an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg gegründet, die wiederum im Sommer 2022 von der Bosch Sensortec GmbH übernommen wurde – mit dem Ziel, Spitzenprodukte auf Grundlage der MEMS-Lautsprechertechnologie für den globalen Massenmarkt zu entwickeln. Wesentliche Beiträge zu diesem Erfolg, sowohl auf Technologie- als auch auf Modellierungsseite, lieferte auch Dr. Hermann Schenk während seiner Zeit am Fraunhofer IPMS sowie später als Geschäftsführer der Ausgründung.