MEMS-Mikrofon
Ein MEMS-Mikrofon ist ein winziges Mikrofon, dessen schallempfindliches Teil direkt auf einen Silizium-Chip geätzt wird. Fast jedes Smartphone, Notebook und jeder Sprachassistent nutzt diese Bauform, weil sie nur wenige Millimeter groß und sehr billig herstellbar ist.
Ein Mikrofon wandelt Schall in ein elektrisches Signal um. Dazu braucht es eine dünne Membran, also ein hauchfeines Häutchen, das durch Luftdruck in Schwingung gerät. Bei einem MEMS-Mikrofon sitzt diese Membran nicht in einem Metallgehäuse, sondern wird direkt in eine Siliziumscheibe geätzt. Silizium ist dasselbe Material, aus dem auch Computerchips bestehen. Die Abkürzung MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme: winzige beweglliche Bauteile, die mit den Verfahren der Chipfertigung hergestellt werden. So entstehen Mikrofone, die kleiner als ein Streichholzkopf sind und trotzdem verlässlich hören.
Warum in jedem Handy mehrere davon stecken
Klassische Mikrofone werden einzeln zusammengesetzt. MEMS-Mikrofone entstehen dagegen zu Tausenden gleichzeitig auf einer runden Siliziumscheibe, einem sogenannten Wafer. Danach wird die Scheibe zersägt. Das macht den einzelnen Baustein extrem billig: er kostet oft weniger als einen Euro.
Der zweite Vorteil ist die Gleichmäßigkeit. Zwei Mikrofone aus derselben Fertigung klingen fast identisch. Das ist wichtig, wenn ein Gerät mehrere Mikrofone gleichzeitig nutzt. Ein modernes Smartphone hat drei bis vier, ein Smart Speaker manchmal sieben oder mehr.
Mit mehreren gleichartigen Mikrofonen kann Software ausrechnen, aus welcher Richtung ein Geräusch kommt. Der Schall erreicht die Mikrofone nämlich mit winzigen Zeitunterschieden. Daraus lässt sich die Stimme des Sprechers verstärken und der Straßenlärm herausrechnen. Ohne die billige, gleichförmige MEMS-Fertigung wäre das in einem Handy nicht bezahlbar.
Von der schwingenden Membran zur Zahlenfolge
Im Inneren liegt die Siliziummembran wenige Mikrometer über einer festen Gegenplatte. Beide bilden zusammen einen Kondensator, also ein Bauteil, das elektrische Ladung speichert. Trifft Schall auf die Membran, verändert sich der Abstand. Damit ändert sich auch die gespeicherte Ladung, und es entsteht eine winzige Spannungsschwankung.
Dieses Signal ist so schwach, dass es allein nutzlos wäre. Deshalb sitzt im selben Gehäuse ein zweiter kleiner Chip, der Verstärker. Bei digitalen MEMS-Mikrofonen übernimmt dieser Chip auch die Umwandlung in Zahlen. Er misst die Spannung viele Tausend Mal pro Sekunde und gibt die Messwerte als Datenstrom aus.
Ein häufiger Irrtum: MEMS-Mikrofone seien schlechter als große Studiomikrofone. Beim Rauschen und beim maximalen Lautstärkepegel stimmt das oft noch. In Gleichmäßigkeit und Robustheit sind sie aber überlegen. Sie überstehen die Hitze beim Löten und reagieren kaum auf Erschütterungen. Deshalb finden sie sich auch in Kopfhörern, Hörgeräten und Autos.
Der Baustein hinter Sprachassistenten und Wake Words
Jedes Mal, wenn du „Hey Siri“ oder „Alexa“ sagst, hört ein MEMS-Mikrofon zu. Diese festen Signalwörter nennt man Wake Words. Ein sehr kleines KI-Programm im Gerät prüft dauerhaft, ob das Wort gefallen ist. Erst danach wird die eigentliche Spracherkennung gestartet, oft in einem Rechenzentrum.
Damit das rund um die Uhr laufen kann, muss das Mikrofon extrem sparsam sein. Manche Modelle brauchen weniger als ein Milliwatt. Zum Vergleich: ein Handydisplay verbraucht mehrere Hundert Milliwatt. Genau diese Sparsamkeit ist der Grund, warum Dauerhören überhaupt praktikabel ist.
In Wirtschaftsnachrichten tauchen MEMS-Mikrofone meist als Bauteilgeschäft auf. Wenige Hersteller aus Europa, den USA und Asien teilen den Markt, und jährlich werden Milliarden Stück verkauft. Wächst die Zahl der Geräte mit Sprachsteuerung, wächst dieser Markt mit. Auch in Ohrhörern zur Geräuschunterdrückung und in Sensoren, die Maschinen abhören, stecken sie inzwischen.