Geavanceerde MEMS-microfoons verhogen de gevoeligheid en betrouwbaarheid van hoortoestellen

In de context van een vergrijzende bevolking en toenemende blootstelling aan omgevingslawaai, is de gezondheid van het gehoor belangrijker dan ooit. Mensen zijn op zoek naar kleinere, energiezuinigere hoortoestellen met een hogere geluidskwaliteit, en MEMS-microfoons zijn goed gepositioneerd om aan die verwachtingen te voldoen.

Meer dan 5% van de wereldbevolking - of 466 miljoen mensen - heeft invaliderend gehoorverlies, en volgens de Wereldgezondheidsorganisatie zullen tegen 2050 naar verwachting meer dan 900 miljoen mensen - een op de 10 mensen - een invaliderend gehoorverlies hebben. Gehoorverlies uitschakelen verwijst naar een gehoorverlies hoger dan 40 decibel (dB) in het beter horende oor bij volwassenen en hoger dan 30 dB in het beter horende oor bij kinderen.

Het is niet verwonderlijk dat de wereldwijde markt voor hoortoestellen naar schatting $ 7,62 miljard zal bereiken in 2023, meldde ResearchAndMarkets.com, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 6,4% van 2019 tot 2023. Deze markt omvat hoortoestellen, cochleaire implantaten, beengeleidingssystemen en diagnostische instrumenten.

Een hoortoestel detecteert geluiden om ze voor de gebruiker te versterken en hiervoor is een microfoon nodig. Traditionele electret-condensatormicrofoons zijn lange tijd de meest gebruikte microfoons in hoortoestellen gebleven, maar micro-elektromechanische systemen (MEMS) verdringen ze steeds meer.

"MEMS-microfoons hebben verschillende voordelen waardoor ze de meest geschikte oplossingen zijn voor eindtoepassingen zoals hoortoestellen", vertelde Manuel Tagliavini, hoofdanalist, MEMS &sensoren, IHS Markit, aan Electronic Products .

MEMS-microfoons bieden een zeer betrouwbaar, robuust ontwerp met een lage gevoeligheid voor het binnendringen van deeltjes; een ultracompacte voetafdruk, met een marktleidende verhouding tussen gevoeligheid en grootte; technologische vooruitgang die zorgt voor optimale elektro-akoestiekprestaties, evenals zeer veelzijdige en afstembare ontwerpen met programmeerbare geïntegreerde schakelingen”, zegt Michael Knapp, vice president, communicatie &investor relations, Knowles Corp.

"Met de eerste generatie MEMS-microfoons voor gehoorgezondheid die slechts vijf jaar geleden op de markt kwam, verwachten we dat MEMS-microfoons in 2020 meer dan de helft van de microfoons zullen uitmaken die in de markt voor gehoorgezondheid worden gebruikt", voegde hij eraan toe.

Ook al is het niet vergelijkbaar met mobiele handsets, slimme luidsprekers en oortelefoons, de markt voor MEMS-microfoons die in hoortoestellen worden gebruikt, groeit snel. Volgens de laatste IHS Markit-projecties zal het stijgen van $ 8 miljoen in 2017 tot $ 48 miljoen in 2022, met een CAGR van 42% over de prognoseperiode.

MEMS-technologie is nu volwassen genoeg om aan medische vereisten te voldoen. "Na de miljarden eenheden die voornamelijk zijn geproduceerd en verzonden voor de consumentenelektronica en draadloze markten, hebben ze de betrouwbaarheid bereikt die vereist is voor medische toepassingen", aldus Tagliavini.

“Bovendien hebben MEMS-microfoonleveranciers de afgelopen jaren goede expertise opgebouwd in het verbeteren van de productgrootte, het stroomverbruik en de prijs voor toepassingen zoals smartphones en oordopjes. Deze vereisten, met name afmetingen en stroomverbruik, worden gedeeld door hoortoestellen,” voegde hij eraan toe.

De meest recente ontwikkelingen in MEMS-microfoons, vervolgde Tagliavini, zijn gekoppeld aan spraakherkenningsfunctionaliteit en belangrijke functies in slimme luidsprekers, maar ze groeien ook snel in andere segmenten. “Verbeteringen zitten niet alleen aan de sensorkant, met microfoonarrays die beamforming en far-field sensing mogelijk maken, maar ook aan de softwarekant [algoritmen]. Het is tegenwoordig mogelijk om verschillende soorten geluiden [menselijke stem, achtergrondgeluid, enz.] te classificeren en op de meest geschikte manier te versterken of te verzwakken.”

Deze verbeteringen, die aanvankelijk gericht waren op toepassingen in consumentenelektronica, zijn bijzonder geschikt voor hoortoestellen.

Knowles, dat eind jaren negentig begon met het ontwikkelen van MEMS-microfoons, biedt nu zijn derde en vierde generatie MEMS-microfoons voor gehoorgezondheid aan met de ambitie om te voldoen aan de steeds hogere elektro-akoestische verwachtingen van klanten, wat de hoogste gevoeligheid en het laagst mogelijke ruis betekent in een energiezuinige, compacte ruimte, zei Knapp. "Naarmate de esthetiek van hoortoestellen steeds belangrijker wordt, willen klanten een kleinere voetafdruk van componenten die creativiteit in industrieel ontwerp mogelijk maakt."

Met een signaal-ruisverhouding (SNR) van 70,5 dB en een geluidsdrukniveau van 121 dB, beweert Knowles dat het MM20-platform van de derde generatie "de verhouding met de laagste ruis en de hoogste SNR-grootte op de markt is". Het bestaat uit een akoestische sensor, een geluidsarme ingangsbuffer en een uitgangsversterker. Deze apparaten zijn geschikt voor toepassingen waar uitstekende breedbandaudioprestaties en RF-immuniteit vereist zijn.

Het MM25-platform, de vierde generatie MEMS-microfoons voor gehoorgezondheid van Knowles, maakt gebruik van een programmeerbare ASIC om een ​​hoge veelzijdigheid en optimalisatie van het ruisarme platform te bereiken om hoogwaardige beamforming en microfoonkoppeling mogelijk te maken, aldus Knapp. De MM25 kan worden geprogrammeerd voor ultra-low-power stromen tussen 18 µA en 31 µA.

Knowles zei dat voortdurende vooruitgang in MEMS-technologie nieuwe mogelijkheden zal bieden voor microfoons voor gehoorgezondheid die een groter spannings-/stroombereik en nieuwe toepassingen mogelijk maken, terwijl de elektro-akoestiek voor hoortoestelfabrikanten verder wordt verbeterd.

Knowles' nieuwste generatie MEMS-microfoons voor gehoorgezondheid worden steeds kleiner. (Afbeelding:Knowles Corp.)

Aan de andere kant van de Atlantische Oceaan, Sonion a/s ontwerpt micro-akoestische en micromechanische technologieën voor hoortoestellen, in-ear monitors, oortelefoons en hearables. "MEMS-microfoons voor hoortoestellen onderscheiden zich van electretmicrofoons door het feit dat MEMS minder gevoelig zijn voor omgevingscondities, zoals vochtigheid en temperatuur, en de ontwerpen maken het mogelijk om het rechtstreeks op een PCB te plaatsen in plaats van draden en handsolderen te gebruiken." zei Erik Dashorst, key accountmanager bij Sonion.

Het in Denemarken gevestigde bedrijf levert de O-Serie MEMS-microfoons, ontwikkeld in samenwerking met TDK-InvenSense, in twee kleine vormfactoren:8 mm ³ en 11 mm ³ (volume). De belangrijkste specificaties zijn onder meer een gemiddelde stroomsterkte van 31 µA, een gevoeligheid van -37 dB 1 V/Pa tot -38 dB 1 V/Pa en geluidsniveaus van 26 dB tot 28,5 dB.

De nieuwste P-serie van het bedrijf, beweerde Dashorst, "heeft de SNR verbeterd en biedt een hogere gevoeligheid en een zeer laag stroomverbruik." Gevoeligheid varieert tussen -35,5 en -38 dB 1 V/Pa, geluidsniveaus van 24,5 dB tot 25 dB en batterijverbruik van 31 µA tot 32 µA.

De P-serie onderscheidt zich door zijn ongevoeligheid voor externe lichtbronnen, aldus Dashorst. “Bij halfgeleiders is wat doping nodig om het te laten werken. Dit betekent dat als je een bepaald type n-doping of p-doping hebt, deze kan reageren op licht. Dat is hoe LED's werken, maar in de tegenovergestelde manier. We maken MEMS zo dat ze niet op licht reageren.”

Het pakketvolume, 8,2 mm ³ , is “relatief klein, maar heeft op dit moment geen prioriteit. Als we kleiner worden, verhogen we de ruis, en als we de ruis verhogen, is het product niet meer bruikbaar, "voegde Dashorst eraan toe.

Sonion zei dat de binnenkort te verschijnen Q-serie wordt geleverd met een vlakke responscurve en zonder vervorming (intermodulatievervorming, of IMD, is minder dan 10%). "Als je naar de responscurve van de P-serie kijkt, zie je een piek in de respons rond de 10 Hz", aldus Dashorst. "Deze piek is niet ideaal, omdat elk geluid dat op die frequentie komt, wordt versterkt in vergelijking met wat je normaal hebt."

Om dit te voorkomen, "zet je wat weerstand in het circuit om de respons op die frequentie te verlagen, vooral met een laagdoorlaatfilter", vervolgde hij. Voor de Q-serie slaagde Sonion erin om een ​​gedempte responscurve te hebben "zonder de ruis toe te voegen die je zou hebben met een laagdoorlaatfilter", zei Dashorst.

De Q-serie biedt ook een gevoeligheid in het bereik van -35,5 dB 1 V/Pa tot -37,0 dB 1 V/Pa, terwijl de voetafdruk en dikte vergelijkbaar zijn met die van de P-serie en O-serie (3,35 x 2,50 mm).

In laboratoria

De meeste in de handel verkrijgbare hoortoestellen gebruiken microfoons om het externe geluidsveld vast te leggen. Maar omdat deze microfoons zich meestal in een extern element bevinden, kunnen ze ongemak veroorzaken, sportactiviteiten beperken of een sociaal stigma creëren. Er is een dringende behoefte aan implanteerbare hoortoestellen die gemakkelijk te implanteren zijn en een hoge gevoeligheid hebben. De Universiteit van Zürich en het Cochlear Technology Centre Belgium kondigden vorig jaar aan dat ze werkten aan een MEMS condensatormicrofoon-gebaseerde akoestische ontvanger voor volledig implanteerbare cochleaire implantaten (TICI).

ams AG werkt aan manieren om tinnitus te behandelen en ontwikkelt een nieuwe therapie waarbij gebruik wordt gemaakt van omgevingsgeluid. (Afbeelding:ams AG)

De implanteerbare microfoon, volgens een paper gepubliceerd door de Acoustical Society of America, meet de drukschommelingen in het slakkenhuis (binnenoor), die worden veroorzaakt door de buiten- en middenoorketen, een zogenaamde intracochlear akoestische ontvanger (ICAR). Een ICAR profiteert van de versterkings- en directionaliteitskenmerken van de ooranatomie.

Ook op het gebied van onderzoek, ams AG werkt aan nieuwe manieren om tinnitus te behandelen. Tinnitus is de perceptie van een aanhoudend rinkelend, zoemend of zoemend geluid, vaak gekoppeld aan gehoorverlies veroorzaakt door schade aan het binnenoor, zoals door normale veroudering of blootstelling aan hard geluid. Het treft ongeveer 15% tot 20% van de bevolking.

Het in Oostenrijk gevestigde bedrijf zei dat het een tinnitustherapie heeft ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van omgevingsgeluid. Kortom, het gebruikt ams-hardware voor actieve ruisonderdrukking en verwerkt omgevingsgeluid tot een persoonlijk tinnitus-trainingssignaal.

“Deze therapie is zeer efficiënt gebleken, en hoe vaker tinnituspatiënten het gebruiken, hoe lager hun tinnitus wordt. Deze therapie heeft een positief effect op de lange termijn,” zei Verena Vescoli, senior vice president van R&D, ams AG, op de recente MEMS &Image Sensors Summit in Grenoble.

MEMS-microfoons vervangen in toenemende mate de traditionele electret-condensatormicrofoons in hoortoestellen dankzij verschillende voordelen. Deze omvatten betrouwbare en robuuste ontwerpen met een lage gevoeligheid voor het binnendringen van deeltjes, een kleine verpakkingsgrootte en hoge prestaties, met vooruitgang in de laboratoria.