Продвинутые MEMS-микрофоны обеспечивают превосходную чувствительность и надежность слуховых аппаратов

В эпоху старения глобального населения и растущего экологического шума защита слухового здоровья никогда не была так критична. Современные пользователи требуют слуховых аппаратов, которые меньше, потребляют меньше энергии и доставляют хрустально чистый звук — идеальное соответствие технологии MEMS-микрофонов.

По данным ВОЗ, более 5% мирового населения — 466 млн человек — страдают от невелющей потери слуха, и к 2050 году ожидается 900 млн человек (один из десяти). Невелющая потеря слуха определяется как порог слуха превышающий 40 дБ у взрослых или 30 дБ у детей в лучшем ухе.

ResearchAndMarkets.com прогнозирует глобальный рынок слуховых аппаратов к $7,62 млрд в 2023 году, растущий с CAGR 6,4% между 2019 и 2023 годами. Рынок охватывает слуховые устройства, кохлеарные импланты, костно-проводящие системы и диагностические инструменты.

Основная функция слухового аппарата — захват окружающих звуков для усиления — полагается на его микрофон. Пока электретные конденсаторные микрофоны доминировали в секторе, MEMS (микро-электромеханические системы) микрофоны быстро становятся предпочтительным выбором.

«MEMS-микрофоны предлагают надежность, компактность и электроакустическую производительность, требуемые для приложений слуховых аппаратов», — сказал Мануэль Тальявини, главный аналитик MEMS и сенсоров в IHS Markit, для Electronic Products.

Майкл Напп, вице-президент Communications & Investor Relations в Knowles Corp., подчеркнул преимущества: надежный дизайн с минимальным вхождением частиц, ведущий соотношение чувствительности к размеру, и программируемые интегральные схемы, доставляющие универсальную, настраиваемую производительность.

Напп добавил, что с выхода первого поколения MEMS-микрофонов для слухового здоровья пять лет назад, ожидается, что к 2020 году они составят более половины всех микрофонов, используемых в устройствах слухового здоровья.

Хотя рынок MEMS-микрофонов для слуховых аппаратов все еще скромен по сравнению с мобильными телефонами или наушниками, он расширяется быстро. IHS Markit оценивает рост от $8 млн в 2017 до $48 млн в 2022 с CAGR 42%.

Талямини отмечает, что MEMS-технология теперь встречает медицинские стандарты надежности. «После миллиардов отгруженных единиц в потребительской электронике MEMS-микрофоны достигли долговечности, требуемой для медицинского использования», — сказал он.

Он добавил, что достижения в размере, потреблении энергии и стоимости — движимые спросом смартфонов и наушников — напрямую переводятся в выгоды для слуховых аппаратов.

Недавний прогресс в MEMS-микрофонах выходит за пределы железа. Сенсорные массивы теперь позволяют beamforming и дальнее сенсирование, в то время как сложные алгоритмы классифицируют звуки — человеческий голос, фоновый шум и т.д. — и селективно усиливают или аттенюируют их. Эти функции, изначально адаптированные для потребительской электроники, теперь незаменимы для технологии слуховых аппаратов.

Knowles, пионер MEMS-микрофонов с конца 1990-х, предлагает платформы третьего и четвертого поколения для слухового здоровья, выталкивающие пределы чувствительности и шумовой производительности в ультракомпактных пакетах.

Платформа MM20 доставляет 70,5 дБ отношение сигнал/шум (SNR) и 121 дБ уровень звукового давления (SPL), делая ее самой низкошумной, с самым высоким соотношением SNR к размеру на рынке. Она объединяет акустический сенсор, низкошумный входной буфер и выходной усилитель — идеально для широкополосного аудио и RF-иммунных приложений.

Платформа MM25 строит на этой основе с программируемым ASIC, предлагающим высокую универсальность и ультранизкое потребление (18–31 мкА). Она поддерживает продвинутый beamforming и парирование микрофонов, позволяя дизайнерам адаптировать производительность под конкретные архитектуры слуховых аппаратов.

Knowles предвидит, что текущие инновации MEMS расширят напряженные и токовые диапазоны, откроют новые приложения и дальше поднимут электроакустическую производительность для производителей слуховых аппаратов.

Последнее поколение MEMS-микрофонов для слухового здоровья Knowles продолжает уменьшаться в размере. (Изображение: Knowles Corp.)

Через Атлантику, Sonion a/s специализируется на микроакустических и микромеханических технологиях для слуховых инструментов и hearable. Эрик Дахорст, ключевой аккаунт менеджер в Sonion, объяснил, что MEMS-микрофоны гораздо менее восприимчивы к экологическим условиям вроде влажности и температуры по сравнению с электретными микрофонами, и их можно рефлоу-паять прямо на PCB, устраняя необходимость в проводах и ручной пайке.

O-серия MEMS-микрофонов Sonion, ко-разработанная с TDK-InvenSense, поставляется в двух компактных объемах — 8 мм³ и 11 мм³. Ключевые спецификации включают средний ток 31 мкА, чувствительность от –37 дБ 1 В/Па до –38 дБ 1 В/Па и уровни шума между 26 дБ и 28,5 дБ.

Новая P-серия предлагает улучшенный SNR, более высокую чувствительность и очень низкое потребление энергии. Чувствительность охватывает –35,5 дБ 1 В/Па до –38 дБ 1 В/Па, шум между 24,5 дБ и 25 дБ, и расход батареи 31–32 мкА.

Дахорст подчеркнул, что P-серия спроектирована быть нечувствительной к внешним источникам света — распространенной проблеме в полупроводниковых устройствах, которую можно смягчить через специфические стратегии допа. Он также отметил, что дальнейшая миниатюризация увеличит шум, компрометируя пригодность.

Предстоящая Q-серия Sonion доставляет плоскую кривую отклика и минимальные искажения (интермодуляционная дисторция ниже 10%). В отличие от P-серии, Q-серия устраняет низкочастотный пик, который может вызывать нежелательное усиление около 10 Гц, без добавления фильтр-индуцированного шума.

Q-серия сохраняет похожие размеры с P- и O-сериями (3,35 × 2,50 мм) предлагая чувствительность между –35,5 дБ 1 В/Па и –37,0 дБ 1 В/Па.

Лабораторные достижения

Большинство коммерчески доступных слуховых аппаратов используют внешние микрофоны, которые могут вызывать дискомфорт, ограничивать физическую активность и способствовать социальному стигме. Существует острая потребность в имплантируемых решениях, минимально инвазивных но высокочувствительных.

В прошлом году Университет Цюриха и Кохлеарный Технологический Центр Бельгии анонсировали исследование MEMS-конденсаторного микрофон-базированного акустического ресивера для полностью имплантируемых кохлеарных имплантов (TICI). Внутриушной акустический ресивер (ICAR) захватывает давления в ухом, индуцированные внешней и средней ушной цепью, используя естественное усиление и направленные подсказки уха.

ams AG работает над новыми способами лечения тиннитуса, разрабатывая новую терапию с использованием окружающего шума. (Изображение: ams AG)

ams AG, австрийская компания, пионерствует лечение тиннитуса, использующее окружающий шум. Используя активное шумоподавление оборудование, оно трансформирует окружающие звуки в персонализированный тренировочный сигнал тиннитуса. Верена Весколи, старший вице-президент R&D в ams, сообщила, что терапия значительно снижает тяжесть тиннитуса, особенно при частом использовании, и дает длительные выгоды.

MEMS-микрофоны стабильно вытесняют традиционные электретные микрофоны в слуховых аппаратах благодаря своей надежности, надежной конструкции, минимальному вхождению частиц, компактному размеру и превосходной производительности. Текущие исследования продолжают проталкивать конверт, обещая еще большую чувствительность, более низкий шум и расширенные приложения для индустрии слухового здоровья.