Das EU-geförderte Projekt Listen2Future verfolgt das Ziel, das Potenzial piezoelektrischer akustischer Wandler zu nutzen, um neuartige Sensorsysteme für die Bereiche Gesundheit & Wohlbefinden sowie digitale Industrie & Energie zu entwickeln. Ein zentraler Forschungsschwerpunkt liegt auf piezoelektrischen MEMS-Mikrofonen, die insbesondere in medizinischen Anwendungen wie Hörgeräten eingesetzt werden. Diese Mikrofone erfordern einen besonders großen Dynamikbereich, um akustische Signale in unterschiedlichen Lautstärken verzerrungsfrei aufzunehmen, sowie eine hohe Energieeffizienz, um lange Betriebszeiten im tragbaren Einsatz zu ermöglichen. Aktuelle Studien zeigen, dass hierbei ein anspruchsvoller Kompromiss zwischen Empfindlichkeit, Linearität und Energieverbrauch notwendig ist [1][2].

Eine besondere Herausforderung stellt das Auftreten von akustischen Resonanzen dar, die durch das Gehäuse und die Integration des Mikrofons verursacht werden und sich nur schwer zuverlässig modellieren lassen. Solche Resonanzen können die Signalqualität erheblich beeinträchtigen. Um dieses Problem zu lösen, entwickelt das Team des Lehrstuhls für Schaltungstechnik (LSE) an der Technischen Universität München ein neuartiges Mikrofontreibersystem mit aktiver Kraft-Rückkopplung. Dabei wird ein Teil des verstärkten Ausgangssignals wieder an die piezoelektrische Membran zurückgeführt, um gezielt Resonanzen zu dämpfen und ungewollte Membranbewegungen zu kompensieren. Dieses Rückkopplungskonzept verbessert die Linearität, erweitert den Dynamikbereich und erlaubt den Einsatz weicherer Membranen mit höherer mechanischer Empfindlichkeit [3].

Diese Strategie der Kraft-Rückkopplungsregelung, die sich an Regelungstechniken aus der Präzisionssensorik orientiert, erhöht das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und ermöglicht eine höhere akustische Übersteuerungsfestigkeit (AOP). Die Einführung einer Rückkopplung erfordert jedoch eine gezielte Phasenkompensation, um die Stabilität des Regelkreises zu gewährleisten – insbesondere bei parasitären Verzögerungen und nichtlinearen Effekten. Durch die Integration eines speziell entwickelten Phasenkompensators bleibt das System über den gesamten Audiobereich hinweg stabil. Insgesamt entsteht so eine neue Generation von MEMS-Mikrofonen, die sich durch hohe akustische Präzision, geringe Latenz und extrem niedrigen Energieverbrauch auszeichnen und vielversprechende Perspektiven für zukünftige Hörgeräte und bioakustische Sensorsysteme bieten [4][5].