Mikrogłośniki MEMS stworzone na nowo

Dzisiejsze konstrukcje mikro-głośników MEMS opierają się na działaniu pojedynczej lub wielu membran, które pracują poza-płaszczyznowo, odchylając się odpowiednio przy kontrolowanych częstotliwościach, w celu wygenerowania wymaganego dźwięku. Membrany te mogą mieć różne kształty i rozmiary. Jednak wibrują poza-płaszczyzną, a to oznacza, że są zależne od powierzchni. Naukowcy z Fraunhofer IPMS zademonstrowali nowy typ mikro-głośników MEMS, które składają się z całkowicie krzemowych, elektrostatycznych mikro-aktywatorów, wyginających się w płaszczyźnie, pracując w przygotowanych komorach powietrznych. Z założenia, nowy koncept mikro-głośników MEMS jest kompatybilny z CMOS, wykorzystując objętość scalaka do przemieszczania powietrza i generowania ciśnienia akustycznego. Przekłada się to na to, że powierzchnia scalaka może być traktowana objętościowo. Szczegóły tej technologii opisano w magazynie Microsystems & Nanoengineering, w publikacji pod tytułem: „Concept and proof for an all-silicon MEMS micro speaker utilizing air chambers”. Opisują w niej to, co nazywają nanoskopowym napędem elektrostatycznym (NED), ze sparowanymi elektrostatycznymi siłownikami zginającymi w rzędach i kolumnach, w warstwie urządzenia z klejonego krzemu na płytce izolatora (SOI) i pokrytej inną płytką izolującą. Niewielka separacja pozwala siłownikom poruszać się bez tarcia pomiędzy warstwą górną i dolną, ponieważ obie pokrywy urządzenia integrują akustyczne otwory pomiędzy każdym sąsiednim rzędem siłowników. Tak umieszczona, odpowiednio przygotowana struktura MEMS może emitować dźwięk na odpowiednich częstotliwościach. Elementy NED mogą być gęsto upakowane na powierzchni, przez co nie zajmują zbyt wiele miejsca. Naprowadzanie napięcia na elektrody poszczególnych siłowników zgina je w płaszczyźnie bocznej zgodnie z ich orientacją w nieparzystym trybie względem siebie, zmieniając objętość w komorach powietrznych między siłownikami. W efekcie komory powietrzne wypychają powietrze przez otwory akustyczne w jednym trybie i zasysają powietrze z powrotem, gdy siłowniki odchylają się w przeciwnym kierunku. Uruchomienie tego systemu na wybranej częstotliwości wygeneruje słyszalny dźwięk. Aby udowodnić swoją koncepcję, naukowcy zaprojektowali trzy indywidualnie adresowalne grupy siłowników na jednym układzie, jako 14 par długich siłowników w konfiguracji 2-szeregowej-7-równoległej. Aby zwiększyć współczynnik wypełnienia projektu, naukowcy wypełnili pozostałą przestrzeń do krawędzi urządzenia w kształcie prostokąta siłownikami o połowie długości. Cały gotowy układ ma grubość zaledwie 1 mm. Górne i dolne płytki o grubości 400 μm układają w warstwę SOI 75 μm o wzorzystych elementach wykonawczych. Obszar aktywny prototypu miał powierzchnię 9.3 mm2. Wysokość siłowników, zależna od grubości warstwy SOI wpływa na ciśnienie akustyczne generowane przez tą strukturę, bez wpływu na powierzchnię urządzenia. Co więcej, takie struktury MEMS można łatwo wytwarzać masowo przy użyciu aktualnych procesów mikro-obróbki krzemu. © Fraunhofer Badacze z Fraunhofer IPMS przewidują, że tak małe głośniki MEMS mogłyby znaleźć drogę w mobilnych urządzeniach (terminalach) z dostępem sieciowym, noszonych bezpośrednio przy uchu. Dotyczy to takich aplikacji, jak tłumaczenie symultaniczne, usługi płatnicze i rozwiązania marketingowe, urządzenia asystentów biurowych lub domowych, itp. Mogłyby też zastąpić klasyczne słuchawki Bluetooth nowoczesnymi urządzeniami, które określane są mianem Internetu Głosu („Internet of Voice” - IoV). Naukowcy już pracują nad ulepszeniem głośnika MEMS w celu uzyskania lepszej liniowości i wyższych poziomów ciśnienia akustycznego przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii. Kolejnym krokiem ma być integracja tego mikro-głośnika z dedykowaną elektroniką sterującą.