Microfones MEMS avançados aumentam a sensibilidade e confiabilidade do aparelho auditivo

No contexto do envelhecimento da população e do aumento da exposição ao ruído ambiental, a saúde auditiva é mais importante do que nunca. As pessoas estão procurando aparelhos auditivos menores, mais eficientes em termos de energia e de melhor qualidade de som, e os microfones MEMS estão bem posicionados para atender a essas expectativas.

Mais de 5% da população mundial - ou 466 milhões de pessoas - tem perda auditiva incapacitante, e mais de 900 milhões de pessoas - uma em cada 10 pessoas - devem ter perda auditiva incapacitante até 2050, de acordo com a Organização Mundial de Saúde. A perda auditiva incapacitante refere-se à perda auditiva superior a 40 decibéis (dB) no ouvido com melhor audição em adultos e superior a 30 dB no ouvido com melhor audição em crianças.

Sem surpresa, o mercado global de aparelhos auditivos está estimado em US $ 7,62 bilhões em 2023, relatou ResearchAndMarkets.com, com uma taxa composta de crescimento anual de 6,4% de 2019 a 2023. Este mercado compreende aparelhos auditivos, implantes cocleares, sistemas de condução óssea e diagnóstico instrumentos.

Um aparelho auditivo detecta sons a fim de amplificá-los para o usuário, e isso requer um microfone. Os microfones condensadores de eletreto tradicionais há muito tempo são os microfones mais usados ​​em aparelhos auditivos, mas os sistemas microeletromecânicos (MEMS) estão cada vez mais substituindo-os.

“Os microfones MEMS têm várias vantagens que os tornam as soluções mais adequadas para aplicações finais, como aparelhos auditivos”, disse Manuel Tagliavini, analista principal, MEMS e sensores, IHS Markit, à Produtos Eletrônicos .

Os microfones MEMS oferecem um design robusto e altamente confiável com baixa suscetibilidade à entrada de partículas; uma pegada ultracompacta, oferecendo uma relação de sensibilidade para tamanho líder de mercado; avanços tecnológicos trazendo desempenho eletroacústica ideal, bem como designs altamente versáteis e ajustáveis ​​com circuitos integrados programáveis ​​”, disse Michael Knapp, vice-presidente de comunicações e relações com investidores da Knowles Corp.

“Com a primeira geração de microfones MEMS de saúde auditiva entrando no mercado há apenas cinco anos, esperamos que os microfones MEMS representem mais da metade dos microfones usados ​​no mercado de saúde auditiva em 2020”, acrescentou.

Mesmo que não seja comparável a telefones celulares, alto-falantes inteligentes e fones de ouvido, o mercado de microfones MEMS usados ​​em aparelhos auditivos está crescendo rapidamente. De acordo com as últimas projeções da IHS Markit, aumentará de US $ 8 milhões em 2017 para US $ 48 milhões em 2022, com um CAGR de 42% sobre o período da previsão.

A tecnologia MEMS agora está madura o suficiente para atender aos requisitos de nível médico. “Após bilhões de unidades produzidas e enviadas principalmente para os mercados de produtos eletrônicos e sem fio, eles alcançaram a confiabilidade necessária para aplicações médicas”, disse Tagliavini.

“Além disso, os fornecedores de microfones MEMS ganharam nos últimos anos boa experiência em melhorar o tamanho do produto, o consumo de energia e o preço de aplicativos como smartphones e fones de ouvido. Esses requisitos, especialmente tamanho e consumo de energia, são compartilhados por aparelhos auditivos ”, acrescentou.

Os desenvolvimentos mais recentes vistos em microfones MEMS, continuou Tagliavini, estão ligados à funcionalidade de reconhecimento de voz e recursos principais em alto-falantes inteligentes, mas estão crescendo rapidamente em outros segmentos também. “As melhorias não estão apenas no lado do sensor, com matrizes de microfone que permitem a formação de feixes e detecção de campo distante, mas também no lado do software [algoritmos]. Hoje em dia é possível classificar diferentes tipos de sons [voz humana, ruído de fundo, etc.] e amplificá-los ou atenuá-los da forma mais adequada. ”

Esses aprimoramentos, que inicialmente visavam a aplicações de eletrônicos de consumo, são particularmente adequados para aparelhos auditivos.

Knowles, que começou a desenvolver microfones MEMS no final dos anos 1990, agora oferece sua terceira e quarta gerações de microfones MEMS para saúde auditiva com a ambição de atender às expectativas eletroacústicas cada vez maiores dos clientes, o que significa a maior sensibilidade e o menor ruído possível em um espaço compacto de baixo consumo de energia, disse Knapp. “À medida que a estética dos aparelhos auditivos cresce em importância, os clientes desejam pegadas de componentes menores que possibilitem a criatividade do design industrial.”

Com uma relação sinal-ruído (SNR) de 70,5 dB e nível de pressão sonora de 121 dB, a Knowles afirma que sua plataforma MM20 de terceira geração é "a relação de menor ruído e maior SNR do mercado". Ele consiste em um sensor acústico, um buffer de entrada de baixo ruído e um amplificador de saída. Esses dispositivos são adequados para aplicações onde um excelente desempenho de áudio de banda larga e imunidade de RF são necessários.

A plataforma MM25, a quarta geração de microfones MEMS de saúde auditiva da Knowles, usa um ASIC programável para alcançar alta versatilidade e otimização de sua plataforma de menor ruído para permitir a formação de feixes de alto desempenho e o emparelhamento de microfone, disse Knapp. O MM25 pode ser programado para correntes de ultra-baixa potência entre 18 µA e 31 µA.

Knowles disse que os avanços contínuos na tecnologia MEMS trarão novos recursos para microfones de saúde auditiva que permitirão faixas de tensão / corrente expandidas e novas aplicações, enquanto continuam a melhorar a eletroacústica para fabricantes de aparelhos auditivos.

A última geração de microfones MEMS de saúde auditiva da Knowles continua a diminuir de tamanho. (Imagem:Knowles Corp.)

Do outro lado do Atlântico, Sonion a / s projeta tecnologias microacústicas e micromecânicas para aparelhos auditivos, monitores intra-auriculares, fones de ouvido e aparelhos auditivos. “Os microfones MEMS para aparelhos auditivos são diferenciados dos microfones de eletreto pelo fato de que os MEMS são menos sensíveis às condições ambientais, como umidade e temperatura, e os designs permitem que sejam refluídos diretamente em um PCB em vez de usar fios e solda manual,” disse Erik Dashorst, gerente de contas-chave da Sonion.

A empresa com sede na Dinamarca fornece os microfones O-Series MEMS, desenvolvidos em conjunto com o TDK-InvenSense, em dois formatos pequenos:8 mm ³ e 11 mm ³ (volume). As principais especificações incluem uma corrente média de 31 µA, sensibilidade de -37 dB 1 V / Pa a -38 dB 1 V / Pa e níveis de ruído de 26 dB a 28,5 dB.

A mais nova série P da empresa, afirmou Dashorst, “melhorou o SNR e oferece maior sensibilidade e um consumo de energia muito baixo”. A sensibilidade varia entre -35,5 e -38 dB 1 V / Pa, níveis de ruído de 24,5 dB a 25 dB e consumo da bateria de 31 µA a 32 µA.

A série P se diferencia por sua insensibilidade a fontes de luz externas, disse Dashorst. “Com semicondutores, algum doping é necessário para que funcione. Isso significa que se você tiver um certo tipo de n-doping ou p-doping, ele pode reagir à luz. É assim que os LEDs funcionam, mas de forma oposta. Nós fazemos MEMS de tal forma que eles não respondem à luz. ”

O volume do pacote, 8,2 mm ³ , é “relativamente pequeno, mas não é uma prioridade no momento. Se formos menores, aumentamos o ruído, e se aumentarmos o ruído, o produto não será mais utilizável ”, acrescentou Dashorst.

Sonion disse que sua série Q, a ser lançada em breve, vem com uma curva de resposta plana e sem distorção (distorção de intermodulação, ou IMD, é inferior a 10%). “Se você olhar a curva de resposta da série P, verá um pico na resposta em torno de 10 Hz”, observou Dashorst. “Este pico não é ideal, porque qualquer som que vier nessa frequência será amplificado em comparação com o que você normalmente tem.”

Para evitar isso, “você coloca alguma resistência no circuito para diminuir a resposta a essa frequência, especialmente com um filtro passa-baixa”, continuou ele. Para a série Q, o Sonion conseguiu ter uma curva de resposta amortecida “sem adicionar o ruído que você teria com um filtro passa-baixa”, disse Dashorst.

A série Q também oferece sensibilidade na faixa de -35,5 dB 1 V / Pa a -37,0 dB 1 V / Pa, enquanto a pegada e a espessura são semelhantes às séries P e O (3,35 x 2,50 mm).

Em laboratórios

A maioria dos aparelhos auditivos disponíveis no mercado usa microfones para capturar o campo sonoro externo. Mas, como esses microfones geralmente estão localizados em um elemento externo, eles podem causar desconforto, limitar as atividades esportivas ou criar um estigma social. Há uma necessidade premente de aparelhos auditivos implantáveis ​​que sejam fáceis de implantar e tenham alta sensibilidade. A Universidade de Zurique e o Centro de Tecnologia Cochlear da Bélgica anunciaram no ano passado que estavam trabalhando em um receptor acústico baseado em microfone condensador MEMS para implantes cocleares totalmente implantáveis ​​(TICI).

ams AG está trabalhando em maneiras de tratar o zumbido, desenvolvendo uma nova terapia usando ruído ambiente. (Imagem:ams AG)

O microfone implantável, de acordo com um artigo publicado pela Acoustical Society of America, mede as flutuações de pressão na cóclea (orelha interna), que são induzidas pela cadeia da orelha externa e média, um chamado receptor acústico intracoclear (ICAR). Um ICAR se beneficia das dicas de amplificação e direcionalidade da anatomia do ouvido.

Além disso, na frente de pesquisa, ams AG está trabalhando em novas maneiras de tratar o zumbido. Zumbido é a percepção de um zumbido, zumbido ou zumbido persistente, geralmente associado à perda auditiva causada por danos ao ouvido interno, como devido ao envelhecimento normal ou exposição a ruídos altos. Afeta cerca de 15% a 20% da população.

A empresa com sede na Áustria disse que desenvolveu uma terapia de zumbido usando ruído ambiental. Basicamente, ele usa hardware ams para cancelamento de ruído ativo e processa ruído ambiental em um sinal de treinamento de zumbido personalizado.

“Essa terapia tem se mostrado muito eficaz e, quanto mais os pacientes com zumbido a usam, mais baixo fica o zumbido. Esta terapia tem um efeito positivo de longo prazo ”, disse Verena Vescoli, vice-presidente sênior de P&D, ams AG, no recente MEMS &Image Sensors Summit em Grenoble.

Os microfones MEMS estão cada vez mais substituindo os microfones condensadores de eletreto tradicionais em aparelhos auditivos, graças a várias vantagens. Isso inclui projetos confiáveis ​​e robustos com baixa suscetibilidade à entrada de partículas, tamanho de embalagem pequeno e alto desempenho, com avanços contínuos nos laboratórios.