Microfones MEMS Avançados Impulsionam Sensibilidade e Confiabilidade Superiores em Aparelhos Auditivos

Em uma era de população global envelhecida e ruído ambiental crescente, proteger a saúde auditiva nunca foi tão crítico. Usuários modernos exigem aparelhos auditivos menores, que consomem menos energia e entregam som cristalino – um ajuste ideal para tecnologia de microfone MEMS.

Segundo a Organização Mundial da Saúde, mais de 5% da população mundial – 466 milhões de pessoas – sofrem de perda auditiva incapacitante, e estima-se que 900 milhões de indivíduos (um em cada dez) serão afetados até 2050. Perda auditiva incapacitante é definida como limiar auditivo excedendo 40 dB em adultos ou 30 dB em crianças no ouvido melhor.

A ResearchAndMarkets.com projeta o mercado global de aparelhos auditivos a atingir US$ 7,62 bilhões em 2023, crescendo a uma taxa composta anual de 6,4% entre 2019 e 2023. O mercado abrange dispositivos auditivos, implantes cocleares, sistemas de condução óssea e instrumentos diagnósticos.

A função central de um aparelho auditivo – capturar sons ambientes para amplificação – depende de seu microfone. Embora microfones condensadores electret tenham dominado o setor, microfones MEMS (sistemas micro-eletromecânicos) estão se tornando rapidamente a escolha preferida.

"Microfones MEMS oferecem a confiabilidade, compacidade e desempenho eletroacústico requeridos para aplicações de aparelhos auditivos", disse Manuel Tagliavini, analista principal para MEMS & sensores na IHS Markit, à Electronic Products.

Michael Knapp, VP de Comunicações & Relações com Investidores na Knowles Corp., destacou os benefícios: design robusto com ingresso mínimo de partículas, proporção líder de sensibilidade-tamanho, e circuitos integrados programáveis que entregam desempenho versátil e ajustável.

Knapp adicionou que desde que a primeira geração de microfones MEMS para saúde auditiva chegou ao mercado há cinco anos, espera-se que eles compreendam mais da metade de todos os microfones usados em dispositivos de saúde auditiva até 2020.

Embora o mercado de microfones MEMS para aparelhos auditivos ainda seja modesto comparado a telefones móveis ou earbuds, está se expandindo rapidamente. A IHS Markit estima crescimento de US$ 8 milhões em 2017 para US$ 48 milhões em 2022, com CAGR de 42%.

Tagliavini nota que a tecnologia MEMS agora atende confiabilidade de grau médico. "Após bilhões de unidades enviadas em eletrônicos de consumo, microfones MEMS alcançaram a durabilidade requerida para uso médico", disse ele.

Ele adicionou que avanços em tamanho, consumo de energia e custo – impulsionados por demandas de smartphones e earbuds – traduzem-se diretamente em benefícios para aparelhos auditivos.

Progresso recente em microfones MEMS vai além de hardware. Arrays de sensores agora permitem beamforming e far-field sensing, enquanto algoritmos sofisticados classificam sons – voz humana, ruído de fundo, etc. – e amplificam ou atenuam seletivamente. Esses recursos, originalmente adaptados para eletrônicos de consumo, agora são indispensáveis para tecnologia de aparelhos auditivos.

Knowles, pioneira em microfones MEMS desde o final dos anos 1990, oferece plataformas de saúde auditiva de terceira e quarta geração que empurram os limites de sensibilidade e desempenho de ruído em pacotes ultracompactos.

A plataforma MM20 entrega uma relação sinal-ruído (SNR) de 70,5 dB e nível de pressão sonora (SPL) de 121 dB, tornando-a a menor relação ruído-tamanho e maior SNR do mercado. Combina um sensor acústico, buffer de entrada de baixo ruído e amplificador de saída – ideal para aplicações de áudio wideband e imunes a RF.

A plataforma MM25 constrói sobre esta base com um ASIC programável que oferece alta versatilidade e operação ultra-baixo consumo (18 µA a 31 µA). Suporta beamforming avançado e pareamento de microfones, permitindo que designers adaptem desempenho a arquiteturas específicas de aparelhos auditivos.

A Knowles antecipa que inovações contínuas em MEMS expandirão faixas de tensão e corrente, desbloquearão novas aplicações e elevarão ainda mais o desempenho eletroacústico para fabricantes de aparelhos auditivos.

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

Do outro lado do Atlântico, a Sonion a/s especializa-se em tecnologias microacústicas e micromecânicas para instrumentos auditivos e hearables. Erik Dashorst, gerente de contas-chave na Sonion, explicou que microfones MEMS são muito menos suscetíveis a condições ambientais como umidade e temperatura comparados a microfones electret, e podem ser reflowed diretamente em PCBs, eliminando a necessidade de fios e solda manual.

Os microfones MEMS da série O da Sonion, co-desenvolvidos com TDK-InvenSense, vêm em dois volumes compactos – 8 mm³ e 11 mm³. Especificações-chave incluem corrente média de 31 µA, sensibilidade variando de –37 dB 1 V/Pa a –38 dB 1 V/Pa, e níveis de ruído entre 26 dB e 28,5 dB.

A nova série P oferece SNR melhorado, sensibilidade mais alta e consumo de energia muito baixo. Sensibilidade abrange –35,5 dB 1 V/Pa a –38 dB 1 V/Pa, ruído entre 24,5 dB e 25 dB, e drenagem de bateria de 31 µA a 32 µA.

Dashorst destacou que a série P é projetada para ser insensível a fontes de luz externas – um problema comum em dispositivos semicondutores que pode ser mitigado através de estratégias específicas de doping. Ele também observou que maior miniaturização aumentaria ruído, comprometendo usabilidade.

A futura série Q da Sonion entrega uma curva de resposta plana e distorção mínima (distorção de intermodulação abaixo de 10%). Diferente da série P, a série Q elimina o pico de baixa frequência que pode causar amplificação indesejada em torno de 10 Hz, sem adicionar ruído induzido por filtro.

A série Q mantém dimensões similares às séries P e O (3,35 × 2,50 mm) enquanto oferece sensibilidade entre –35,5 dB 1 V/Pa e –37,0 dB 1 V/Pa.

Avanços em Laboratório

A maioria dos aparelhos auditivos comercialmente disponíveis emprega microfones externos, que podem causar desconforto, limitar atividade física e contribuir para estigma social. Há uma necessidade urgente de soluções implantáveis que sejam minimamente invasivas yet altamente sensíveis.

No ano passado, a Universidade de Zurique e o Cochlear Technology Centre Belgium anunciaram pesquisa em um receptor acústico baseado em microfone condensador MEMS para implantes cocleares totalmente implantáveis (TICI). O receptor acústico intracolear (ICAR) captura flutuações de pressão dentro da cóclea induzidas pela cadeia do ouvido externo e médio, aproveitando a amplificação natural e pistas de direcionalidade do ouvido.

ams AG está trabalhando em novas formas de tratar zumbido, desenvolvendo nova terapia usando ruído ambiental. (Imagem: ams AG)

A ams AG, uma empresa austríaca, é pioneira no tratamento de zumbido que aproveita ruído ambiental. Usando hardware de cancelamento ativo de ruído, transforma sons ambientes em um sinal de treinamento de zumbido personalizado. Verena Vescoli, VP sênior de P&D na ams, relatou que a terapia reduz significativamente a gravidade do zumbido, especialmente com uso frequente, e produz benefícios duradouros.

Microfones MEMS estão suplantando constantemente microfones electret tradicionais em aparelhos auditivos graças à sua confiabilidade, construção robusta, ingresso mínimo de partículas, tamanho compacto e desempenho superior. Pesquisa contínua continua a empurrar o envelope, prometendo sensibilidade ainda maior, ruído menor e aplicações expandidas para a indústria de saúde auditiva.