Microspeaker MEMS: le cuffie intrauricolari per il futuro dell’internet mobile

Le cuffie intrauricolari wireless sono il compagno perfetto quando si è in movimento, sono ancora relativamente grandi e molti dei loro componenti scaricano rapidamente la batteria

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I microspeaker per cuffie intrauricolari wireless di Arioso Systems GmbH, spin-off del Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems IPMS, sono fino a dieci volte più piccoli dei microspeaker convenzionali e sono realizzati interamente in silicio. Attualmente in fase di prototipo, gli altoparlanti MEMS ad alta efficienza energetica potrebbero in futuro svolgere un ruolo nell’espansione della gamma di funzioni offerte dalle cuffie miniaturizzate, come traduzioni istantanee e funzioni di monitoraggio della salute. Ciò è reso possibile da un innovativo principio di trasduttore del suono che elimina la membrana, l’elemento centrale di un altoparlante convenzionale.

Le cuffie intrauricolari wireless sono di tendenza e sono il compagno perfetto quando sei in movimento. Tuttavia, sono ancora relativamente grandi e molti dei loro componenti scaricano rapidamente la batteria, limitando la connettività Internet, le funzioni di pagamento e altre funzionalità intelligenti. Le nuove funzioni intelligenti richiedono molta potenza di calcolo e quindi molto spazio ed elettricità. Gli altoparlanti attualmente disponibili sono troppo grandi. I componenti più ingombranti dei nuovi auricolari wireless sono la batteria e il microaltoparlante. Al contrario, i microspeaker di Arioso Systems GmbH misurano solo da 10 a 20 mm 2, che li rende ideali per future applicazioni udibili, come la traduzione simultanea, le funzioni di pagamento e altri servizi Internet basati sulla voce. Lo spin-off Fraunhofer IPMS con sede a Dresda è stato fondato nel 2019 e ora conta 12 dipendenti.

La dimensione del microaltoparlante MEMS rispetto a una moneta da un centesimo di euro.

Il suono viene generato all’interno del chip di silicio

A differenza degli altoparlanti convenzionali e dei pochi altri altoparlanti con sistema microelettromeccanico (MEMS) esistenti, i minuscoli altoparlanti MEMS di Arioso Systems non contengono una membrana o magneti e sono invece formati interamente da silicio. Possono essere prodotti in serie in modo conveniente utilizzando processi CMOS standard, rendendoli facili da scalare per il mercato di massa: un vantaggio rispetto alle tecnologie della concorrenza che attualmente utilizzano materiali piezoelettrici che rendono il processo di produzione più complicato e costoso.

Gli altoparlanti utilizzano un nuovo principio di trasduttore del suono ad alta efficienza energetica. Questo si basa sulla tecnologia Nanoscopic Electrostatic Drive (NED), che è stata sviluppata da Holger Conrad – un membro fondatore di Arioso Systems GmbH – durante il suo periodo presso Fraunhofer IPMS. A differenza degli altoparlanti convenzionali, il nuovo trasduttore sonoro MEMS non ha membrana. È stato sostituito da un gran numero di sottili fasci di piegatura, ciascuno di 20 μm, contenuti all’interno del chip di silicio. Attraverso le aperture sulla parte superiore e inferiore del chip l’aria fuoriesce dalle camere e fluisce nelle camere dove si muovono gli attuatori elettrostatici. L’applicazione di una tensione di segnale audio fa piegare questi attuatori NED. Le vibrazioni vengono quindi ascoltate come suoni. “Le travi di piegatura a lamella si muovono l’una verso l’altra e spingono l’aria fuori in alto e in basso, causando fluttuazioni di pressione nell’orecchio che sono udibili. In linea di principio, il timpano viene spostato direttamente come se fosse con una pompa ad aria“, spiega il CFO di Arioso, il dott. Jan Blochwitz-Nimoth.

Poiché i componenti possono essere integrati direttamente nel chip di silicio, occupano poco spazio e sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto agli altoparlanti convenzionali. La tecnologia utilizza meno batteria, prolungando la durata della batteria di diverse ore. “Il suono viene generato all’interno del chip di silicio. Il fatto che non ci siano parti mobili esterne come le membrane libera spazio e riduce il numero di fasi di assemblaggio nel processo di produzione“, afferma il CEO di Arioso, il dott. Hermann Schenk, evidenziando un USP dell’altoparlante MEMS. “Le sottili lamelle all’interno del chip vengono mosse applicando una tensione elettrica. Ciò genera un livello di pressione sonora di circa 120 dB con una qualità del suono ottimale su un’area del chip di soli 10 mm²”.

I fasci di flessione a forma di lamella all’interno del microaltoparlante MEMS generano il suono.

Alexa nel tuo orecchio

In futuro, sarà possibile utilizzare lo spazio risparmiato nelle cuffie wireless dall’alto grado di miniaturizzazione e dall’efficienza energetica degli altoparlanti MEMS per altre applicazioni Internet come servizi di pagamento o traduzioni istantanee. È anche possibile per gli utenti monitorare le funzioni relative al proprio corpo, il tutto tramite il controllo vocale, senza che debbano guardare il proprio smartphone. Con questo in mente, Arioso Systems GmbH sta indirizzando il suo sviluppo verso le esigenze dei grandi OEM e in particolare dei fornitori di servizi Internet. L’innovativo principio del trasduttore del suono è adatto anche per l’uso negli apparecchi acustici.

Il round di finanziamento seme è stato chiuso e lo spin-off ha finora ricevuto 2,6 milioni di euro dagli investitori. Nei prossimi due o tre anni, i prototipi di microspeaker MEMS verranno ampliati da laboratorio a scala pilota. Arioso Systems sta già discutendo con gli investitori per il prossimo round di finanziamento, che mira ad acquisire un capitale di rischio di ca. 10 milioni di euro. “Deteniamo i diritti esclusivi di marketing per la tecnologia NED di Fraunhofer IPMS. Nei prossimi anni, ci stiamo adoperando per diventare i leader di mercato nella tecnologia degli altoparlanti MEMS per il mondo dell’audio mobile“, afferma il Dr. Hermann Schenk, spiegando l’ambizioso obiettivo dell’azienda.