Geavanceerde MEMS-microfoons drijven superieure hoorapparaat-gevoeligheid en betrouwbaarheid

In een tijdperk van een vergrijzende wereldbevolking en escerende omgevingsgeluid, is het beschermen van gehoorgondigheid nooit cruciaaler geweest. Moderne gebruikers eisen hoorapparaten die kleiner zijn, minder stroom verbruiken en kristalhelder geluid leveren - een ideale pasvorm voor MEMS-microfoontechnologie.

Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie lijdt meer dan 5% van de wereldbevolking - 466 miljoen mensen - aan doofheid, en een geschatte 900 miljoen individuen (één op de tien) zullen erdoor beïnvloed worden tot 2050. Doofheid wordt gedefinieerd als een gehoordrempel van meer dan 40 dB bij volwassenen of 30 dB bij kinderen in het betere oor.

ResearchAndMarkets.com projecteert de wereldwijde hoorapparaat-markt om $7,62 miljard in 2023 te bereiken, groeiend met een samengestelde jaartarief van 6,4% tussen 2019 en 2023. De markt omvat hoorapparaten, cochleaire implants, botgeleidingssystemen en diagnostische instrumenten.

Een hoorapparaat's kernfunctie - het vangen van omgevingsgeluiden voor versterking - berust op de microfoon. Terwijl electret-condensatormicrofoons het sector hebben gedomineerd, worden MEMS (micro-electromechanische systemen) microfoons snel de voorkeurskeuze.

"MEMS-microfoons bieden de betrouwbaarheid, compactheid en elektro-akoestische prestaties die vereist zijn voor hoorapparaat-toepassingen," zei Manuel Tagliavini, hoofdanalist voor MEMS & sensoren bij IHS Markit, tegen Electronic Products.

Michael Knapp, VP van Communications & Investor Relations bij Knowles Corp., benadrukte de voordelen: een robuust ontwerp met minimale deeltjesinlaat, een toonaangevende gevoeligheid-tot-grootte-verhouding, en programmeerbare geïntegreerde circuits die veelzijdige, afstelbare prestaties leveren.

Knapp voegde toe dat sinds de eerste generatie hoor-gezondheid MEMS-microfoons de markt bereikten vijf jaar geleden, ze verwacht worden meer dan de helft van alle microfoons in hoor-gezondheidsapparaten te vormen tot 2020.

Hoewel de MEMS-microfoonmarkt voor hoorapparaten nog bescheiden is vergeleken met mobiele telefoons of oordopjes, groeit het snel. IHS Markit schat groei van $8 miljoen in 2017 naar $48 miljoen in 2022, met een CAGR van 42%.

Tagliavini merkt op dat MEMS-technologie nu medische-graad betrouwbaarheid bereikt. "Na miljarden eenheden verzonden in consumentenelektronica, hebben MEMS-microfoons de duurzaamheid bereikt die vereist is voor medisch gebruik," zei hij.

Hij voegde toe dat vooruitgang in grootte, stroomverbruik en kosten - gedreven door smartphone- en oordopje-eisen - direct vertalen naar hoorapparaat-voordelen.

Recente vooruitgang in MEMS-microfoons gaat verder dan hardware. Sensor-arrays maken nu beamforming en far-field sensing mogelijk, terwijl geavanceerde algoritmen geluiden classificeren - menselijke stem, achtergrondgeluid, etc. - en ze selectief versterken of dempen. Deze functies, oorspronkelijk afgestemd op consumentenelektronica, zijn nu onmisbaar voor hoorapparaat-technologie.

Knowles, een pionier in MEMS-microfoons sinds eind jaren '90, biedt derde- en vierde-generatie hoor-gezondheidsplatforms die de grenzen van gevoeligheid en ruisprestaties in ultra-compacte verpakkingen verleggen.

Het MM20-platform levert een 70,5-dB signaal-tot-ruis-verhouding (SNR) en een 121-dB geluidsdruk-niveau (SPL), wat het de laagste-ruis, hoogste-SNR-tot-grootte-verhouding op de markt maakt. Het combineert een akoestische sensor, een laag-ruis input-buffer en een uitgangsversterker - ideaal voor breedbandaudio en RF-immuun toepassingen.

Het MM25-platform bouwt op deze fundering met een programmeerbare ASIC die hoge veelzijdigheid en ultra-laag-vermogen werking biedt (18 µA tot 31 µA). Het ondersteunt geavanceerde beamforming en microfoon-pairing, wat ontwerpers in staat stelt prestaties af te stemmen op specifieke hoorapparaat-architecturen.

Knowles anticipeert dat lopende MEMS-innovaties spannings- en stroomreeksen zullen uitbreiden, nieuwe toepassingen ontgrendelen en de elektro-akoestische prestaties voor hoorapparaat-fabrikanten verder zullen tillen.

Knowles's nieuwste generatie hoor-gezondheid MEMS-microfoons blijven krimpen in grootte. (Afbeelding: Knowles Corp.)

Aan de andere kant van de Atlantische Oceaan, specialiseert Sonion a/s zich in micro-akoestische en micromechanische technologieën voor hoorinstrumenten en hearables. Erik Dashorst, key account manager bij Sonion, legde uit dat MEMS-microfoons veel minder gevoelig zijn voor omgevingsomstandigheden zoals vocht en temperatuur vergeleken met electret-microfoons, en ze kunnen direct op PCB's worden gereflowed, wat de noodzaak voor draden en handmatig solderen elimineert.

Sonion's O-Serie MEMS-microfoons, samenontwikkeld met TDK-InvenSense, komen in twee compacte volumes - 8 mm³ en 11 mm³. Belangrijkste specificaties omvatten een gemiddelde stroom van 31 µA, gevoeligheid variërend van –37 dB 1 V/Pa tot –38 dB 1 V/Pa, en ruisniveaus tussen 26 dB en 28,5 dB.

De nieuwe P-Serie biedt verbeterde SNR, hogere gevoeligheid en zeer laag stroomverbruik. Gevoeligheid beslaat –35,5 dB 1 V/Pa tot –38 dB 1 V/Pa, ruis tussen 24,5 dB en 25 dB, en een batterijafname van 31 µA tot 32 µA.

Dashorst benadrukte dat de P-Serie ontworpen is om ongevoelig te zijn voor externe lichtbronnen - een veelvoorkomend probleem in halfgeleiderapparaten dat kan worden gemitigeerd door specifieke doping-strategieën. Hij merkte ook op dat verdere miniaturisatie ruis zou verhogen, wat de bruikbaarheid zou compromitteren.

Sonion's komende Q-Serie levert een plat responscurve en minimale distortie (intermodulatie-distortie onder 10%). In tegenstelling tot de P-Serie, elimineert de Q-Serie de lage-frequentie-piek die ongewilde versterking rond 10 Hz kan veroorzaken, zonder filter-geïnduceerde ruis toe te voegen.

De Q-Serie behoudt vergelijkbare afmetingen als de P- en O-Serie (3,35 × 2,50 mm) terwijl gevoeligheid wordt geboden tussen –35,5 dB 1 V/Pa en –37,0 dB 1 V/Pa.

In-Lab Vooruitgang

De meeste commercieel beschikbare hoorapparaten gebruiken externe microfoons, wat ongemak kan veroorzaken, fysieke activiteit kan beperken en kan bijdragen aan sociaal stigma. Er is een urgente behoefte aan inplantbare oplossingen die minimaal invasief zijn maar uiterst gevoelig.

Vorig jaar kondigden de Universiteit van Zürich en het Cochlear Technology Centre België onderzoek aan naar een MEMS-condensatormicrofoon-gebaseerde akoestische ontvanger voor volledig inplantbare cochleaire implants (TICI). De intracochleaire akoestische ontvanger (ICAR) vangt drukfluctuaties binnen de cochlea op geïnduceerd door de buiten- en middenoorketen, het natuurlijke versterkings- en richtingsgevoeligheidscues van het oor benuttend.

ams AG werkt aan nieuwe manieren om tinnitus te behandelen, een nieuwe therapie ontwikkelend die omgevingsgeluid gebruikt. (Afbeelding: ams AG)

ams AG, een Oostenrijkse bedrijf, is pionierend in tinnitus-behandeling die omgevingsgeluid benut. Met behulp van actieve ruisonderdrukking-hardware, transformeert het omgevingsgeluiden in een gepersonaliseerd tinnitus-trainingssignaal. Verena Vescoli, senior VP van R&D bij ams, rapporteerde dat de therapie de tinnitus-ernst aanzienlijk vermindert, vooral bij frequente gebruik, en duurzame voordelen oplevert.

MEMS-microfoons verdringen stapsgewijs traditionele electret-microfoons in hoorapparaten dankzij hun betrouwbaarheid, robuuste constructie, minimale deeltjesinlaat, compacte grootte en superieure prestaties. Lopend onderzoek duwt de envelop voortdurend, wat nog grotere gevoeligheid, lagere ruis en uitgebreide toepassingen voor de hoor-gezondheidsindustrie belooft.