Des micro-enceintes MEMS pour l’avenir de l’Internet mobile

Les micro-haut-parleurs pour écouteurs intra-auriculaires sans fil d’Arioso Systems GmbH, une entreprise dérivée de l’Institut Fraunhofer pour les microsystèmes photoniques IPMS, sont jusqu’à dix fois plus petits que les micro-haut-parleurs conventionnels et sont entièrement fabriqués à partir de silicium. Actuellement au stade de prototype, les haut-parleurs du système micro-électromécanique (MEMS) à haut rendement énergétique pourraient à l’avenir jouer un rôle dans l’élargissement de la gamme de fonctions offertes par les écouteurs miniaturisés, telles que les traductions instantanées et les fonctions de surveillance de la santé. Ceci est rendu possible par un principe innovant de transducteur sonore qui se passe de la membrane, l’élément central d’un haut-parleur conventionnel.

Les écouteurs intra-auriculaires sans fil sont à la mode et sont le compagnon idéal lorsque vous êtes en déplacement. Cependant, ils sont encore relativement volumineux et bon nombre de leurs composants épuisent rapidement la batterie, limitant la connectivité Internet, les fonctions de paiement et d’autres fonctionnalités intelligentes. Les nouvelles fonctions intelligentes nécessitent beaucoup de puissance de calcul et donc beaucoup d’espace et d’électricité. Les haut-parleurs actuellement disponibles sont trop grands. Les composants les plus volumineux des nouveaux écouteurs sans fil sont la batterie et le micro-haut-parleur. En revanche, les micro-enceintes d’Arioso Systems GmbH ne mesurent que 10 à 20 mm2, ce qui les rend idéales pour les futures applications audibles, telles que la traduction simultanée, les fonctions de paiement et d’autres services Internet basés sur la voix. La spin-off Fraunhofer IPMS basée à Dresde a été fondée en 2019 et compte aujourd’hui 12 employés.

Le son est généré à l’intérieur de la puce de silicium

Contrairement aux haut-parleurs conventionnels et aux quelques autres haut-parleurs MEMS existants, les minuscules haut-parleurs MEMS d’Arioso Systems ne contiennent pas de membrane ni d’aimants, et sont entièrement constitués de silicium. Ils peuvent être produits en série de manière rentable à l’aide de processus CMOS standard, ce qui les rend faciles à mettre à l’échelle pour le marché de masse, un avantage par rapport aux technologies concurrentes qui utilisent actuellement des matériaux piézoélectriques, ce qui rend le processus de production plus compliqué et plus coûteux.

Les haut-parleurs utilisent un nouveau principe de transducteur sonore économe en énergie. Ceci est basé sur la technologie d’entraînement électrostatique nanoscopique (NED), qui a été développée par Holger Conrad, membre fondateur d’Arioso Systems GmbH, pendant son séjour chez Fraunhofer IPMS. Contrairement aux haut-parleurs conventionnels, le nouveau transducteur sonore MEMS n’a pas de membrane. Il a été remplacé par un grand nombre de fines poutres de courbure, chacune mesurant 20 µm, contenues dans la puce de silicium. Par les ouvertures situées en haut et en bas de la puce, l’air s’échappe des chambres et s’écoule dans les chambres où se déplacent les actionneurs électrostatiques. L’application d’une tension de signal audio provoque la flexion de ces actionneurs NED. Les vibrations sont alors entendues sous forme de son. « Les faisceaux de flexion en forme de lamelles se déplacent l’un vers l’autre et poussent l’air en haut et en bas, provoquant des fluctuations de pression dans l’oreille qui sont audibles. En principe, le tympan est déplacé directement comme avec une pompe à air », explique le directeur financier d’Arioso, le Dr Jan Blochwitz-Nimoth.

Comme les composants peuvent être intégrés directement dans la puce de silicium, ils prennent peu de place et sont beaucoup plus économes en énergie que les enceintes classiques. La technologie utilise moins de batterie, prolongeant la durée de vie de la batterie de plusieurs heures. « Le son est généré à l’intérieur de la puce de silicium. Le fait qu’il n’y ait pas de pièces mobiles externes telles que des membranes libère de l’espace et réduit le nombre d’étapes d’assemblage dans le processus de production », déclare le PDG d’Arioso, le Dr Hermann Schenk, soulignant un USP de le haut-parleur MEMS. « Les fines lamelles à l’intérieur de la puce sont déplacées en appliquant une tension électrique. Cela génère un niveau de pression acoustique d’environ 120 dB avec une qualité sonore optimale sur une surface de puce de seulement 10 mm². »

Alexa dans ton oreille

À l’avenir, il sera possible d’utiliser l’espace économisé dans les écouteurs sans fil par le haut degré de miniaturisation et l’efficacité énergétique des haut-parleurs MEMS pour d’autres applications Internet telles que les services de paiement ou les traductions instantanées. Il est également possible pour les utilisateurs de surveiller les fonctions relatives à leur corps, le tout via la commande vocale, sans avoir à regarder leur smartphone. Dans cette optique, Arioso Systems GmbH oriente son développement vers les besoins des grands équipementiers et des fournisseurs d’accès Internet en particulier. Le principe innovant du transducteur sonore convient également à une utilisation dans les appareils auditifs.

Le tour de table a été clôturé et le spin-off a jusqu’à présent reçu 2,6 millions d’euros d’investisseurs. Au cours des deux à trois prochaines années, les prototypes de micro-enceintes MEMS devraient passer de l’échelle du laboratoire à l’échelle pilote. Arioso Systems est déjà en discussion avec des investisseurs pour le prochain tour de table, qui vise à acquérir du capital-risque d’env. 10 millions d’euros. « Nous détenons les droits de commercialisation exclusifs de la technologie NED de Fraunhofer IPMS. Au cours des prochaines années, nous nous efforçons de devenir les leaders du marché de la technologie des haut-parleurs MEMS pour le monde de l’audio mobile », déclare le Dr Hermann Schenk, expliquant l’objectif ambitieux de l’entreprise.