Los micrófonos MEMS avanzados aumentan la sensibilidad y la fiabilidad de los audífonos

En el contexto de una población que envejece y una creciente exposición al ruido ambiental, la salud auditiva es más importante que nunca. Las personas buscan audífonos más pequeños, con mayor eficiencia energética y con una calidad de sonido más alta, y los micrófonos MEMS están bien posicionados para cumplir con esas expectativas.

Más del 5% de la población mundial, o 466 millones de personas, tienen pérdida auditiva discapacitante, y se espera que más de 900 millones de personas, una de cada 10 personas, tengan pérdida auditiva discapacitante para 2050, según la Organización Mundial de la Salud. La pérdida de audición discapacitante se refiere a una pérdida de audición superior a 40 decibelios (dB) en el oído con mejor capacidad auditiva en los adultos y superior a 30 dB en el oído con mejor capacidad auditiva en los niños.

Como era de esperar, se estima que el mercado mundial de audífonos alcanzará los $ 7,62 mil millones en 2023, informó ResearchAndMarkets.com, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 6,4% de 2019 a 2023. Este mercado comprende dispositivos auditivos, implantes cocleares, sistemas de conducción ósea y diagnósticos. instrumentos.

Un audífono detecta los sonidos para amplificarlos para el usuario, y esto requiere un micrófono. Los micrófonos de condensador electret tradicionales han sido durante mucho tiempo los micrófonos más utilizados en los audífonos, pero los sistemas microelectromecánicos (MEMS) los están desplazando cada vez más.

“Los micrófonos MEMS tienen varias ventajas que los convierten en las soluciones más adecuadas para aplicaciones finales como audífonos”, dijo Manuel Tagliavini, analista principal, MEMS y sensores, IHS Markit, a Electronic Products .

Los micrófonos MEMS ofrecen un diseño robusto y altamente confiable con baja susceptibilidad al ingreso de partículas; una huella ultracompacta, que ofrece una relación entre sensibilidad y tamaño líder en el mercado; avances tecnológicos que brindan un rendimiento electroacústico óptimo, así como diseños altamente versátiles y ajustables con circuitos integrados programables ”, dijo Michael Knapp, vicepresidente de comunicaciones y relaciones con inversionistas de Knowles Corp.

“Con la primera generación de micrófonos MEMS para la salud auditiva que ingresaron al mercado hace solo cinco años, esperamos que los micrófonos MEMS representen más de la mitad de los micrófonos utilizados en el mercado de la salud auditiva en 2020”, agregó.

Incluso si no es comparable a los teléfonos móviles, altavoces inteligentes y auriculares, el mercado de micrófonos MEMS utilizados en audífonos está creciendo rápidamente. Según las últimas proyecciones de IHS Markit, aumentará de $ 8 millones en 2017 a $ 48 millones en 2022, con una tasa compuesta anual del 42% durante el período de pronóstico.

La tecnología MEMS ahora está lo suficientemente madura como para cumplir con los requisitos de grado médico. “Después de los miles de millones de unidades producidas y enviadas principalmente para los mercados de productos electrónicos e inalámbricos de consumo, han alcanzado la confiabilidad requerida para las aplicaciones médicas”, dijo Tagliavini.

“Además, los proveedores de micrófonos MEMS han adquirido en los últimos años una gran experiencia en la mejora del tamaño del producto, el consumo de energía y el precio de aplicaciones como teléfonos inteligentes y auriculares. Estos requisitos, especialmente el tamaño y el consumo de energía, son compartidos por los audífonos ”, agregó.

Los desarrollos más recientes observados en los micrófonos MEMS, continuó Tagliavini, están relacionados con la funcionalidad de reconocimiento de voz y las características clave de los altavoces inteligentes, pero también están creciendo rápidamente en otros segmentos. “Las mejoras no solo están en el lado del sensor, con arreglos de micrófonos que permiten la formación de haces y la detección de campo lejano, sino también en el lado del software [algoritmos]. Hoy en día es posible clasificar diferentes tipos de sonidos [voz humana, ruido de fondo, etc.] y amplificarlos o atenuarlos de la forma más adecuada ”.

Estas mejoras, que inicialmente estaban dirigidas a aplicaciones de electrónica de consumo, son particularmente adecuadas para dispositivos de audífonos.

Knowles, que comenzó a desarrollar micrófonos MEMS a fines de la década de 1990, ahora ofrece su tercera y cuarta generación de micrófonos MEMS para la salud auditiva con la ambición de satisfacer las crecientes expectativas electroacústicas de los clientes, lo que significa la mayor sensibilidad y el menor ruido posible en un espacio compacto de bajo consumo, dijo Knapp. "A medida que aumenta la importancia de la estética de los audífonos, los clientes desean huellas de componentes más pequeñas que permitan la creatividad del diseño industrial".

Con una relación señal-ruido (SNR) de 70,5 dB y un nivel de presión sonora de 121 dB, Knowles afirma que su plataforma MM20 de tercera generación es "la relación de menor ruido y mayor tamaño de SNR del mercado". Consiste en un sensor acústico, un búfer de entrada de bajo ruido y un amplificador de salida. Estos dispositivos son adecuados para aplicaciones donde se requiere un excelente rendimiento de audio de banda ancha e inmunidad a RF.

La plataforma MM25, la cuarta generación de micrófonos MEMS de salud auditiva de Knowles, utiliza un ASIC programable para lograr una alta versatilidad y optimización de su plataforma de menor ruido para permitir la formación de haces de alto rendimiento y el emparejamiento de micrófonos, dijo Knapp. El MM25 se puede programar para corrientes de potencia ultrabaja entre 18 µA y 31 µA.

Knowles dijo que los continuos avances en la tecnología MEMS traerán nuevas capacidades para micrófonos de salud auditiva que permitirán rangos de voltaje / corriente expandidos y nuevas aplicaciones mientras continúan mejorando la electroacústica para los fabricantes de audífonos.

La última generación de micrófonos MEMS para la salud auditiva de Knowles sigue reduciendo su tamaño. (Imagen:Knowles Corp.)

Al otro lado del Atlántico, Sonion a / s diseña tecnologías microacústicas y micromecánicas para audífonos, monitores internos, audífonos y dispositivos de audio. "Los micrófonos MEMS para audífonos se diferencian de los micrófonos electret por el hecho de que los MEMS son menos sensibles a las condiciones ambientales, como la humedad y la temperatura, y los diseños permiten que se refluyan directamente en una PCB en lugar de utilizar cables y soldaduras manuales". dijo Erik Dashorst, gerente de cuentas clave de Sonion.

La empresa con sede en Dinamarca proporciona los micrófonos MEMS de la serie O, desarrollados conjuntamente con TDK-InvenSense, en dos factores de forma pequeños:8 mm ³ y 11 mm ³ (volumen). Las especificaciones clave incluyen una corriente promedio de 31 µA, sensibilidad de -37 dB 1 V / Pa a -38 dB 1 V / Pa y niveles de ruido de 26 dB a 28.5 dB.

Dashorst afirmó que la serie P más nueva de la compañía tiene "SNR mejorado y ofrece una mayor sensibilidad y un consumo de energía muy bajo". La sensibilidad varía entre -35,5 y -38 dB 1 V / Pa, niveles de ruido de 24,5 dB a 25 dB y consumo de batería de 31 µA a 32 µA.

La serie P se diferencia por su insensibilidad a las fuentes de luz externas, dijo Dashorst. “Con los semiconductores, se necesita algo de dopaje para que funcione. Esto significa que si tiene cierto tipo de dopaje n o dopaje p, puede reaccionar a la luz. Así funcionan los LED, pero al revés. Hacemos MEMS de tal manera que no responden a la luz ".

El volumen del paquete, 8,2 mm ³ , es “relativamente pequeño, pero no es una prioridad en este momento. Si disminuimos, aumentamos el ruido, y si aumentamos el ruido, el producto ya no se puede utilizar ”, agregó Dashorst.

Sonion dijo que su serie Q, que se lanzará próximamente, viene con una curva de respuesta plana y sin distorsión (la distorsión de intermodulación, o IMD, está por debajo del 10%). "Si observa la curva de respuesta de la serie P, verá un pico en la respuesta de alrededor de 10 Hz", señaló Dashorst. "Este pico no es ideal, porque cualquier sonido que venga en esa frecuencia será amplificado en comparación con lo que tiene normalmente".

Para evitar esto, “pones algo de resistencia en el circuito para bajar la respuesta a esa frecuencia, especialmente con un filtro de paso bajo”, continuó. Para la Serie Q, Sonion logró tener una curva de respuesta amortiguada "sin agregar el ruido que tendría con un filtro de paso bajo", dijo Dashorst.

La serie Q también proporciona una sensibilidad en el rango de -35,5 dB 1 V / Pa a -37,0 dB 1 V / Pa, mientras que el tamaño y el grosor son similares a los de la serie P y la serie O (3,35 x 2,50 mm).

En laboratorios

La mayoría de los audífonos disponibles comercialmente utilizan micrófonos para capturar el campo de sonido externo. Pero debido a que estos micrófonos suelen estar ubicados en un elemento externo, pueden causar incomodidad, limitar la actividad deportiva o crear un estigma social. Existe una necesidad imperiosa de dispositivos auditivos implantables que sean fáciles de implantar y tengan una alta sensibilidad. La Universidad de Zúrich y el Centro de Tecnología Coclear de Bélgica anunciaron el año pasado que estaban trabajando en un receptor acústico de condensador MEMS basado en un micrófono para implantes cocleares totalmente implantables (TICI).

ams AG está trabajando en formas de tratar el tinnitus, desarrollando una nueva terapia que utiliza ruido ambiental . (Imagen:ams AG)

El micrófono implantable, según un artículo publicado por la Acoustical Society of America, mide las fluctuaciones de presión en la cóclea (oído interno), que son inducidas por la cadena del oído externo y medio, un llamado receptor acústico intracoclear (ICAR). Un ICAR se beneficia de las señales de amplificación y direccionalidad de la anatomía del oído.

Además, en el ámbito de la investigación, ams AG está trabajando en nuevas formas de tratar el tinnitus. El tinnitus es la percepción de un timbre, zumbido o zumbido persistente, a menudo relacionado con la pérdida de audición causada por daños en el oído interno, como el envejecimiento normal o la exposición a ruidos fuertes. Afecta entre el 15% y el 20% de la población.

La compañía con sede en Austria dijo que ha desarrollado una terapia para el tinnitus que utiliza ruido ambiental. Básicamente, utiliza hardware ams para la cancelación activa de ruido y procesa el ruido ambiental en una señal de entrenamiento personalizada para el tinnitus.

“Esta terapia ha demostrado ser muy eficaz, y cuanto más frecuentemente la usan los pacientes con tinnitus, menor es su tinnitus. Esta terapia tiene un efecto positivo a largo plazo ”, dijo Verena Vescoli, vicepresidente senior de I + D, ams AG, en la reciente Cumbre de MEMS y Sensores de Imagen en Grenoble.

Los micrófonos MEMS están reemplazando cada vez más a los micrófonos de condensador electret tradicionales en los audífonos gracias a varias ventajas. Estos incluyen diseños confiables y robustos con baja susceptibilidad al ingreso de partículas, tamaño de paquete pequeño y alto rendimiento, con avances continuos en los laboratorios.