高度なMEMSマイクは、補聴器の感度と信頼性を向上させます

人口の高齢化と環境騒音への曝露の増加という状況において、聴覚の健康はかつてないほど重要になっています。人々はより小さく、より電力効率が高く、より高音質の補聴器を求めており、MEMSマイクはそれらの期待に応えるために適切な位置にあります。

世界保健機関によると、世界の人口の5％以上（4億6600万人）が難聴を無効にしており、2050年までに9億人以上（10人に1人）が難聴を無効にすることが見込まれています。難聴を無効にすることは、成人のより良い聴力の耳で40デシベル（dB）を超え、子供のより良い聴力の耳で30dBを超える難聴を指します。

当然のことながら、世界の補聴器市場は2023年に76.2億ドルに達すると推定され、ResearchAndMarkets.comは、2019年から2023年までの複合年間成長率が6.4％であると報告しています。この市場は、聴覚装置、人工内耳、骨伝導システム、および診断装置で構成されています。楽器。

補聴器は、ユーザーのために音を増幅するために音を検出します。これにはマイクが必要です。従来のエレクトレットコンデンサーマイクは、補聴器で最も使用されているマイクであり続けていますが、微小電気機械システム（MEMS）がますますそれらを置き換えています。

「MEMSマイクには、補聴器などのエンドアプリケーションに最適なソリューションとなるいくつかの利点があります」と、IHSMarkitのMEMSおよびセンサーの主任アナリストであるManuelTagliavini氏は Electronic Products に語りました。 。

MEMSマイクロフォンは、粒子の侵入に対する感受性が低く、信頼性が高く堅牢な設計を提供します。超コンパクトなフットプリントで、市場をリードする感度とサイズの比率を提供します。最適な電気音響性能をもたらす技術の進歩と、プログラム可能な集積回路を備えた非常に用途が広く調整可能な設計」と、 Knowles Corp. のコミュニケーションおよび投資家向け広報担当副社長であるMichaelKnappは述べています。

「わずか5年前に第1世代の聴覚健康MEMSマイクが市場に参入したことで、2020年に聴覚健康市場で使用されるマイクの半分以上をMEMSマイクが占めると予想しています。」と彼は付け加えました。

携帯電話、スマートスピーカー、イヤホンに匹敵するものではありませんが、補聴器に使用されるMEMSマイクの市場は急速に成長しています。最新のIHSMarkitの予測によると、2017年の800万ドルから2022年には4800万ドルに上昇し、予測期間中のCAGRは42％になります。

現在、MEMSテクノロジーは、医療グレードの要件を満たすのに十分成熟しています。 「主に家庭用電化製品およびワイヤレス市場向けに数十億台のユニットが製造および出荷された後、それらは医療アプリケーションに必要な信頼性に達しました」とTagliavini氏は述べています。

「さらに、MEMSマイクロフォンのサプライヤーは、スマートフォンやイヤフォンなどのアプリケーションの製品サイズ、消費電力、価格を改善するための優れた専門知識を過去数年にわたって獲得してきました。これらの要件、特にサイズと消費電力は、補聴器によって共有されます」と彼は付け加えました。

タリアビニ氏は続けて、MEMSマイクロフォンで見られる最新の開発は、スマートスピーカーの音声認識機能と主要機能に関連していますが、他のセグメントでも急速に成長しています。 「改善は、ビームフォーミングと遠方界センシングを可能にするマイクロフォンアレイを備えたセンサー側だけでなく、ソフトウェア側[アルゴリズム]でもあります。今日では、さまざまな種類の音（人間の声、バックグラウンドノイズなど）を分類し、それらを最も適切な方法で増幅または減衰することが可能です。」

これらの拡張機能は、当初は家庭用電化製品のアプリケーションを対象としていましたが、補聴器デバイスに特に適しています。

1990年代後半にMEMSマイクロフォンの開発を開始したKnowlesは、現在、顧客の高まる電気音響の期待に応えるという野心を持って、第3世代および第4世代の聴覚健康MEMSマイクロフォンを提供しています。低電力でコンパクトなスペースだとナップ氏は語った。 「補聴器の美学の重要性が増すにつれて、顧客は工業デザインの創造性を可能にするより小さなコンポーネントフットプリントを望んでいます。」

Knowlesは、70.5 dBの信号対雑音比（SNR）と121 dBの音圧レベルを備えており、第3世代のMM20プラットフォームは「市場で最も低いノイズ、最も高いSNRサイズの比率」であると主張しています。これは、音響センサー、低ノイズ入力バッファー、および出力アンプで構成されています。これらのデバイスは、優れた広帯域オーディオ性能とRF耐性が要求されるアプリケーションに適しています。

Knowlesの第4世代の聴覚健康MEMSマイクロフォンであるMM25プラットフォームは、プログラム可能なASICを使用して、高性能のビームフォーミングとマイクロフォンのペアリングを可能にする低ノイズプラットフォームの高い汎用性と最適化を実現します。 MM25は、18 µA〜31 µAの超低電力電流用にプログラムできます。

Knowlesは、MEMSテクノロジーの継続的な進歩により、補聴器メーカーの電気音響を改善し続けながら、電圧/電流範囲の拡大と新しいアプリケーションを可能にする聴覚健康マイクの新機能がもたらされると述べました。

Knowlesの最新世代の聴覚健康MEMSマイクは、サイズが縮小し続けています。 （画像：Knowles Corp。）

大西洋の反対側では、ソニオンa / s 補聴器、インイヤーモニター、イヤホン、およびヒアラブル用のマイクロアコースティックおよびマイクロメカニカルテクノロジーを設計します。 「補聴器MEMSマイクは、MEMSが湿度や温度などの環境条件にあまり敏感ではないという事実によってエレクトレットマイクと区別され、設計により、ワイヤーや手はんだを使用するのではなく、PCB上で直接リフローすることができます。」 SonionのキーアカウントマネージャーであるErikDashorstは述べています。

デンマークを拠点とするこの会社は、TDK-InvenSenseと共同開発したOシリーズMEMSマイクを、8 mm ³ の2つの小さなフォームファクタで提供しています。 および11mm ³ （音量）。主な仕様には、31 µAの平均電流、-37 dB 1 V / Paから-38dB 1 V / Paの感度、および26dBから28.5dBのノイズレベルが含まれます。

Dashorst氏によると、同社の最新のPシリーズは、「SNRが向上し、感度が高く、消費電力が非常に少ない」とのことです。感度の範囲は-35.5〜-38 dB 1 V / Pa、ノイズレベルは24.5 dB〜25 dB、バッテリーの消耗は31 µA〜32 µAです。

Dashorst氏によると、Pシリーズは外部光源に対する感度が低いことで差別化されています。 「半導体の場合、それを機能させるにはある程度のドーピングが必要です。これは、特定のタイプのnドーピングまたはpドーピングがある場合、それが光に反応する可能性があることを意味します。これがLEDの動作方法ですが、逆の方法です。私たちは、光に反応しないようにMEMSを製造しています。」

パッケージの体積、8.2 mm ³ 、は「比較的小さいですが、現時点では優先事項ではありません。小さくするとノイズが大きくなり、ノイズを大きくすると製品が使えなくなります」とDashorst氏は付け加えました。

ソニオン氏によると、間もなくリリースされるQシリーズは、フラットな応答曲線を備え、歪みがありません（相互変調歪み（IMD）は10％未満です）。 「Pシリーズの応答曲線を見ると、10Hz付近に応答のピークが見られます」とDashorst氏は述べています。 「このピークは理想的ではありません。その周波数で発生するサウンドは、通常のサウンドと比較して増幅されるためです。」

これを防ぐために、「特にローパスフィルターを使用して、その周波数への応答を下げるために回路に抵抗を入れます」と彼は続けました。 Qシリーズの場合、Sonionは、「ローパスフィルターで発生するノイズを追加することなく」、減衰応答曲線を実現しました。

Qシリーズは、-35.5 dB 1 V / Pa〜-37.0 dB 1 V / Paの範囲の感度も提​​供しますが、フットプリントと厚さはPシリーズおよびOシリーズ（3.35 x 2.50 mm）と同様です。

ラボ内

ほとんどの市販の補聴器は、マイクを使用して外部音場をキャプチャします。しかし、これらのマイクは通常、外部要素に配置されているため、不快感を引き起こしたり、スポーツ活動を制限したり、社会的不名誉を生み出したりする可能性があります。移植が容易で高感度の移植可能な聴覚装置が差し迫った必要性があります。チューリッヒ大学とベルギーの人工内耳技術センターは、昨年、完全に移植可能な人工内耳（TICI）用のMEMSコンデンサーマイクベースの音響受信機に取り組んでいると発表しました。

ams AGは耳鳴りの治療法に取り組んでおり、環境ノイズを使用した新しい治療法を開発しています。 （画像：ams AG）

Acoustical Society of Americaが発表した論文によると、埋め込み型マイクロフォンは、外耳鎖と中耳鎖、いわゆる蝸牛内音響受信機（ICAR）によって引き起こされる蝸牛（内耳）の圧力変動を測定します。 ICARは、耳の解剖学的構造の増幅と方向性の手がかりから恩恵を受けます。

また、調査の面では、 ams AG 耳鳴りを治療するための新しい方法に取り組んでいます。耳鳴りは、持続的なリンギング、ハミング、またはブーンという音の知覚であり、通常の老化や大きな音への曝露など、内耳の損傷によって引き起こされる難聴に関連していることがよくあります。人口の約15％から20％に影響を及ぼします。

オーストリアに本拠を置く同社は、環境騒音を利用した耳鳴り治療法を開発したと語った。基本的に、アクティブノイズキャンセリングにamsハードウェアを使用し、環境ノイズをパーソナライズされた耳鳴りトレーニング信号に処理します。

「この治療法は非常に効率的であることが証明されており、耳鳴りの患者が頻繁に使用するほど、耳鳴りは低くなります。この治療法は長期的にプラスの効果をもたらします」と、グルノーブルで開催された最近のMEMS＆イメージセンサーサミットで、ams AGのR＆D担当シニアバイスプレジデントであるVerenaVescoli氏は述べています。

いくつかの利点のおかげで、MEMSマイクロフォンは補聴器の従来のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンに取って代わりつつあります。これらには、粒子の侵入に対する感受性が低く、パッケージサイズが小さく、高性能である信頼性の高い堅牢な設計が含まれ、ラボでは進歩が続いています。