Усовершенствованные микрофоны MEMS повышают чувствительность и надежность слуховых аппаратов

В условиях старения населения и увеличения воздействия шума окружающей среды здоровье слуха становится как никогда важным. Людям нужны слуховые аппараты меньшего размера, более энергоэффективные и с более высоким качеством звука, и МЭМС-микрофоны могут оправдать эти ожидания.

По данным Всемирной организации здравоохранения, более 5% населения мира - или 466 миллионов человек - имеют инвалидизирующую потерю слуха, и ожидается, что к 2050 году более 900 миллионов человек - каждый десятый человек - будут иметь инвалидизирующую потерю слуха. Под потерей слуха понимается потеря слуха выше 40 дБ (дБ) в лучше слышащем ухе у взрослых и выше 30 дБ в ухе с лучшим слухом у детей.

Неудивительно, что мировой рынок слуховых аппаратов оценивается в 7,62 миллиарда долларов в 2023 году, сообщает ResearchAndMarkets.com, со средним годовым темпом роста в 6,4% с 2019 по 2023 год. Этот рынок включает слуховые аппараты, кохлеарные имплантаты, системы костной проводимости и диагностические системы. инструменты.

Слуховой аппарат улавливает звуки, чтобы усилить их для пользователя, и для этого требуется микрофон. Традиционные электретные конденсаторные микрофоны долгое время оставались наиболее часто используемыми микрофонами в слуховых аппаратах, но их все больше вытесняют микроэлектромеханические системы (МЭМС).

«Микрофоны MEMS имеют ряд преимуществ, которые делают их наиболее подходящими решениями для конечных приложений, таких как слуховые аппараты», - сказал Electronic Products Мануэль Тальявини, главный аналитик отдела MEMS и датчиков IHS Markit. .

Микрофоны MEMS имеют высоконадежную, прочную конструкцию с низкой восприимчивостью к проникновению частиц; сверхкомпактный размер, обеспечивающий лучшее на рынке соотношение чувствительности и размера; технологические достижения, обеспечивающие оптимальные электроакустические характеристики, а также универсальные и настраиваемые конструкции с программируемыми интегральными схемами », - сказал Майкл Кнапп, вице-президент по коммуникациям и связям с инвесторами, Knowles Corp.

«С первым поколением микрофонов MEMS для здоровья слуха, появившихся на рынке всего пять лет назад, мы ожидаем, что микрофоны MEMS будут составлять более половины микрофонов, используемых на рынке здоровья слуха в 2020 году», - добавил он.

Рынок MEMS-микрофонов, используемых в слуховых аппаратах, даже если он несопоставим с мобильными телефонами, интеллектуальными динамиками и наушниками. Согласно последним прогнозам IHS Markit, он вырастет с 8 миллионов долларов в 2017 году до 48 миллионов долларов в 2022 году с среднегодовым темпом роста 42% за прогнозируемый период.

Технология МЭМС сейчас достаточно развита, чтобы соответствовать требованиям медицинского уровня. «После того, как миллиарды устройств были произведены и отгружены в основном для рынков бытовой электроники и беспроводной связи, они достигли уровня надежности, необходимого для медицинских приложений», - сказал Тальявини.

«Более того, поставщики микрофонов MEMS накопили за последние несколько лет хороший опыт в улучшении размеров продуктов, энергопотребления и цен на такие приложения, как смартфоны и наушники. Эти требования, особенно размер и энергопотребление, характерны для слуховых аппаратов », - добавил он.

Последние разработки в области микрофонов MEMS, продолжил Тальявини, связаны с функциями распознавания голоса и ключевыми функциями интеллектуальных динамиков, но они быстро развиваются и в других сегментах. «Улучшения коснулись не только сенсорной части с микрофонными решетками, которые позволяют формировать диаграмму луча и зондирования в дальней зоне, но также и со стороны программного обеспечения [алгоритмов]. В настоящее время возможно классифицировать различные типы звуков [человеческий голос, фоновый шум и т. Д.] И наиболее подходящим образом усиливать или ослаблять их ».

Эти усовершенствования, изначально предназначенные для приложений бытовой электроники, особенно подходят для слуховых аппаратов.

Компания Knowles, которая начала разрабатывать МЭМС-микрофоны в конце 1990-х годов, теперь предлагает свое третье и четвертое поколения МЭМС-микрофонов для улучшения слуха, стремясь удовлетворить постоянно растущие электроакустические ожидания клиентов, что означает наивысшую чувствительность и низкий уровень шума. - маломощное и компактное пространство, - сказал Кнапп. «По мере того как эстетика слуховых аппаратов приобретает все большее значение, заказчики стремятся к тому, чтобы занимаемые компоненты занимали меньше места, что дает возможность творческого подхода к промышленному дизайну».

Компания Knowles утверждает, что ее платформа MM20 третьего поколения с соотношением сигнал / шум (SNR) 70,5 дБ и уровнем звукового давления 121 дБ является «самым низким уровнем шума и самым высоким соотношением SNR на рынке». Он состоит из акустического датчика, малошумящего входного буфера и выходного усилителя. Эти устройства подходят для приложений, где требуются отличные характеристики широкополосного звука и устойчивость к радиочастотам.

По словам Кнаппа, платформа MM25, четвертое поколение МЭМС-микрофонов Knowles для улучшения слуха, использует программируемую ASIC для достижения высокой универсальности и оптимизации платформы с наименьшим уровнем шума, чтобы обеспечить высокопроизводительное формирование луча и сопряжение микрофонов. MM25 можно запрограммировать на сверхмалые токи от 18 до 31 мкА.

Ноулз сказал, что дальнейшее развитие технологии MEMS откроет новые возможности для слуховых микрофонов, которые позволят расширить диапазоны напряжения / тока и появятся новые приложения, продолжая улучшать электроакустику для производителей слуховых аппаратов.

Последнее поколение МЭМС-микрофонов Knowles для здоровья слуха продолжает уменьшаться в размерах. (Изображение:Knowles Corp.)

По другую сторону Атлантики, Sonion a / s разрабатывает микроакустические и микромеханические технологии для слуховых аппаратов, внутриканальных мониторов, наушников и других устройств. «Слуховые аппараты МЭМС-микрофоны отличаются от электретных микрофонов тем, что МЭМС менее чувствительны к условиям окружающей среды, таким как влажность и температура, а их конструкция позволяет оплавлять их непосредственно на печатной плате, а не с помощью проводов и ручной пайки», - сказал Эрик Дашорст, менеджер по работе с ключевыми клиентами Sonion.

Датская компания предлагает МЭМС-микрофоны серии O, разработанные совместно с TDK-InvenSense, в двух малых форм-факторах:8 мм ³ и 11 мм ³ (объем). Основные характеристики включают средний ток 31 мкА, чувствительность от -37 дБ 1 В / Па до -38 дБ 1 В / Па и уровень шума от 26 дБ до 28,5 дБ.

Новейшая серия P компании, как утверждает Дашорст, имеет «улучшенное соотношение сигнал / шум, более высокую чувствительность и очень низкое энергопотребление». Диапазон чувствительности от -35,5 до -38 дБ на 1 В / Па, уровень шума от 24,5 дБ до 25 дБ и разряд батареи от 31 мкА до 32 мкА.

По словам Дашорста, серия P отличается своей нечувствительностью к внешним источникам света. «Для полупроводников требуется легирование. Это означает, что если у вас есть определенный тип n-легирования или p-легирования, он может реагировать на свет. Так работают светодиоды, но наоборот. Мы делаем МЭМС таким образом, чтобы они не реагировали на свет ».

Объем упаковки, 8,2 мм ³ , является «относительно небольшим, но на данный момент не является приоритетным. Если мы сделаем меньше, мы увеличим шум, а если мы увеличим шум, продукт больше не будет использоваться », - добавил Дашорст.

Компания Sonion сообщила, что ее серия Q, которая скоро будет выпущена, имеет ровную кривую отклика и без искажений (интермодуляционные искажения, или IMD, ниже 10%). «Если вы посмотрите на кривую отклика серии P, вы увидите пик отклика около 10 Гц», - отметил Дашорст. «Этот пик не идеален, потому что любой звук, который приходит на этой частоте, будет усилен по сравнению с тем, что вы обычно имеете».

Чтобы предотвратить это, «вы добавляете в схему некоторое сопротивление, чтобы снизить отклик на эту частоту, особенно с фильтром нижних частот», - продолжил он. Для серии Q компании Sonion удалось получить кривую демпфирования отклика, «без добавления шума, который был бы у фильтра нижних частот», - сказал Дашорст.

Серия Q также обеспечивает чувствительность в диапазоне от -35,5 дБ на 1 В / Па до -37,0 дБ на 1 В / Па, в то время как площадь основания и толщина аналогичны сериям P и O (3,35 x 2,50 мм).

В лаборатории

Большинство имеющихся в продаже слуховых аппаратов используют микрофоны для захвата внешнего звукового поля. Но поскольку эти микрофоны обычно расположены во внешнем элементе, они могут вызывать дискомфорт, ограничивать занятия спортом или создавать социальную стигму. Существует острая потребность в имплантируемых слуховых аппаратах, которые легко имплантировать и которые обладают высокой чувствительностью. Цюрихский университет и Центр кохлеарных технологий Бельгии объявили в прошлом году, что они работают над акустическим приемником на основе МЭМС-конденсаторного микрофона для полностью имплантируемых кохлеарных имплантатов (TICI).

AMS AG работает над способами лечения шума в ушах, разрабатывая новую терапию с использованием шума окружающей среды . (Изображение:ams AG)

Имплантируемый микрофон, согласно статье, опубликованной Акустическим обществом Америки, измеряет колебания давления в улитке (внутреннем ухе), которые вызываются цепью внешнего и среднего уха, так называемым интракохлеарным акустическим приемником (ICAR). ICAR извлекает выгоду из усиления и направленности сигналов анатомии уха.

Кроме того, в области исследований ams AG работает над новыми способами лечения шума в ушах. Тиннитус - это ощущение постоянного звона, гудения или жужжания, часто связанное с потерей слуха, вызванной повреждением внутреннего уха, например, в результате нормального старения или воздействия громкого шума. От него страдают от 15% до 20% населения.

Австрийская компания заявила, что разработала терапию тиннитуса с использованием шума окружающей среды. По сути, он использует оборудование AMS для активного шумоподавления и преобразует шум окружающей среды в персонализированный обучающий сигнал тиннитуса.

«Эта терапия оказалась очень эффективной, и чем чаще пациенты с тиннитусом используют ее, тем меньше становится их шум в ушах. Эта терапия имеет положительный долгосрочный эффект », - сказала Верена Весколи, старший вице-президент по исследованиям и разработкам, ams AG, на недавнем саммите MEMS &Image Sensors в Гренобле.

Микрофоны MEMS все чаще заменяют традиционные электретные конденсаторные микрофоны в слуховых аппаратах благодаря ряду преимуществ. К ним относятся надежные и надежные конструкции с низкой восприимчивостью к проникновению частиц, малым размером упаковки и высокой производительностью. Лабораторные разработки продолжают совершенствоваться.