Erweiterte MEMS-Mikrofone steigern die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit von Hörgeräten

Im Kontext einer alternden Bevölkerung und einer zunehmenden Umgebungslärmbelastung ist die Gesundheit des Gehörs wichtiger denn je. Die Leute suchen nach kleineren, energieeffizienteren Hörgeräten mit höherer Klangqualität, und MEMS-Mikrofone sind gut positioniert, um diese Erwartungen zu erfüllen.

Mehr als 5 % der Weltbevölkerung – oder 466 Millionen Menschen – haben einen Hörverlust mit Behinderung, und mehr als 900 Millionen Menschen – einer von 10 Menschen – werden laut der Weltgesundheitsorganisation bis 2050 voraussichtlich einen Hörverlust haben. Unter Schwerhörigkeit versteht man einen Hörverlust von mehr als 40 Dezibel (dB) im besser hörenden Ohr bei Erwachsenen und mehr als 30 dB im besser hörenden Ohr bei Kindern.

Es überrascht nicht, dass der weltweite Hörgerätemarkt im Jahr 2023 auf 7,62 Milliarden US-Dollar geschätzt wird, berichtet ResearchAndMarkets.com, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 6,4 % von 2019 bis 2023. Dieser Markt umfasst Hörgeräte, Cochlea-Implantate, Knochenleitungssysteme und Diagnostika Instrumente.

Ein Hörgerät erkennt Geräusche, um sie für den Benutzer zu verstärken, wofür ein Mikrofon erforderlich ist. Traditionelle Elektret-Kondensatormikrofone sind lange Zeit die am häufigsten verwendeten Mikrofone in Hörgeräten geblieben, aber mikroelektromechanische Systeme (MEMS) verdrängen sie zunehmend.

„MEMS-Mikrofone haben mehrere Vorteile, die sie zu den am besten geeigneten Lösungen für Endanwendungen wie Hörgeräte machen“, sagte Manuel Tagliavini, Principal Analyst, MEMS &Sensors, IHS Markit, gegenüber Electronic Products .

MEMS-Mikrofone bieten ein äußerst zuverlässiges, robustes Design mit geringer Anfälligkeit für das Eindringen von Partikeln; eine ultrakompakte Stellfläche, die ein marktführendes Verhältnis von Empfindlichkeit zu Größe bietet; technologische Fortschritte, die eine optimale elektroakustische Leistung sowie äußerst vielseitige und abstimmbare Designs mit programmierbaren integrierten Schaltkreisen ermöglichen“, sagte Michael Knapp, Vice President, Communications &Investor Relations, Knowles Corp.

„Da die erste Generation von MEMS-Mikrofonen für die Hörgesundheit erst vor fünf Jahren auf den Markt kam, erwarten wir, dass MEMS-Mikrofone im Jahr 2020 mehr als die Hälfte der im Hörgesundheitsmarkt verwendeten Mikrofone ausmachen werden“, fügte er hinzu.

Auch wenn er nicht mit Mobiltelefonen, Smart Speakern und Ohrhörern vergleichbar ist, wächst der Markt für MEMS-Mikrofone in Hörgeräten rasant. Nach den neuesten Prognosen von IHS Markit wird es von 8 Millionen US-Dollar im Jahr 2017 auf 48 Millionen US-Dollar im Jahr 2022 steigen, bei einer CAGR von 42 % im Prognosezeitraum.

Die MEMS-Technologie ist mittlerweile ausgereift genug, um die Anforderungen der Medizintechnik zu erfüllen. „Nach Milliarden von Einheiten, die hauptsächlich für die Unterhaltungselektronik- und Wireless-Märkte produziert und ausgeliefert wurden, haben sie die für medizinische Anwendungen erforderliche Zuverlässigkeit erreicht“, sagte Tagliavini.

„Außerdem haben die Anbieter von MEMS-Mikrofonen in den letzten Jahren gute Erfahrungen mit der Verbesserung von Produktgröße, Stromverbrauch und Preis für Anwendungen wie Smartphones und Ohrhörer gesammelt. Diese Anforderungen, insbesondere Größe und Stromverbrauch, werden von Hörgeräten geteilt“, fügte er hinzu.

Die jüngsten Entwicklungen bei MEMS-Mikrofonen, so Tagliavini weiter, hängen mit der Spracherkennungsfunktion und den Schlüsselfunktionen von Smart Speakern zusammen, wachsen aber auch in anderen Segmenten schnell. „Verbesserungen gibt es nicht nur auf der Sensorseite mit Mikrofonarrays, die Beamforming und Fernfeldsensorik ermöglichen, sondern auch auf der Softwareseite [Algorithmen]. Heutzutage ist es möglich, verschiedene Arten von Geräuschen [menschliche Stimme, Hintergrundgeräusche usw.] zu klassifizieren und sie auf die am besten geeignete Weise zu verstärken oder zu dämpfen.“

Diese Verbesserungen, die ursprünglich auf Anwendungen der Unterhaltungselektronik ausgerichtet waren, eignen sich besonders für Hörgeräte.

Knowles, das Ende der 1990er Jahre mit der Entwicklung von MEMS-Mikrofonen begann, bietet jetzt seine dritte und vierte Generation von MEMS-Mikrofonen für die Hörgesundheit an, mit dem Ziel, die ständig steigenden elektroakustischen Erwartungen der Kunden zu erfüllen ein stromsparender, kompakter Raum, sagte Knapp. „Da die Ästhetik von Hörgeräten immer wichtiger wird, wünschen sich Kunden kleinere Abmessungen der Komponenten, die die Kreativität im Industriedesign ermöglichen.“

Mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 70,5 dB und einem Schalldruckpegel von 121 dB behauptet Knowles, dass seine MM20-Plattform der dritten Generation „das rauschärmste und höchste SNR-Verhältnis auf dem Markt“ ist. Es besteht aus einem akustischen Sensor, einem rauscharmen Eingangspuffer und einem Ausgangsverstärker. Diese Geräte eignen sich für Anwendungen, bei denen eine hervorragende Breitband-Audioleistung und HF-Immunität erforderlich sind.

Die MM25-Plattform, die vierte Generation von MEMS-Mikrofonen für die Hörgesundheit von Knowles, verwendet einen programmierbaren ASIC, um eine hohe Vielseitigkeit und Optimierung ihrer rauschärmsten Plattform zu erreichen, um eine leistungsstarke Beamforming- und Mikrofonkopplung zu ermöglichen, sagte Knapp. Der MM25 kann für ultrakleine Stromstärken zwischen 18 µA und 31 µA programmiert werden.

Knowles sagte, dass kontinuierliche Fortschritte in der MEMS-Technologie neue Fähigkeiten für Hörgesundheitsmikrofone bringen werden, die erweiterte Spannungs-/Strombereiche und neue Anwendungen ermöglichen und gleichzeitig die Elektroakustik für Hörgerätehersteller weiter verbessern.

Die neueste Generation von MEMS-Mikrofonen für die Hörgesundheit von Knowles wird immer kleiner. (Bild:Knowles Corp.)

Auf der anderen Seite des Atlantiks, Sonion a/s entwickelt mikroakustische und mikromechanische Technologien für Hörgeräte, In-Ear-Monitore, Ohrhörer und Hearables. „Hörgeräte-MEMS-Mikrofone unterscheiden sich von Elektret-Mikrofonen dadurch, dass MEMS weniger empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Temperatur sind und die Designs es ermöglichen, sie direkt auf eine Leiterplatte aufzuschmelzen, anstatt Drähte und Handlöten zu verwenden.“ sagte Erik Dashorst, Key Account Manager bei Sonion.

Das in Dänemark ansässige Unternehmen bietet die gemeinsam mit TDK-InvenSense entwickelten MEMS-Mikrofone der O-Serie in zwei kleinen Formfaktoren an:8 mm ³ und 11 mm ³ (Volumen). Zu den wichtigsten Spezifikationen gehören ein durchschnittlicher Strom von 31 µA, eine Empfindlichkeit von -37 dB 1 V/Pa bis -38 dB 1 V/Pa und ein Geräuschpegel von 26 dB bis 28,5 dB.

Die neueste P-Serie des Unternehmens, behauptet Dashorst, habe „das SNR verbessert und bietet eine höhere Empfindlichkeit und einen sehr geringen Stromverbrauch“. Die Empfindlichkeit reicht von -35,5 bis -38 dB 1 V/Pa, Rauschpegel von 24,5 dB bis 25 dB und Batterieverbrauch von 31 µA bis 32 µA.

Die P-Serie differenziere sich durch ihre Unempfindlichkeit gegenüber externen Lichtquellen, so Dashorst. „Bei Halbleitern ist eine gewisse Dotierung erforderlich, damit sie funktioniert. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Art von n- oder p-Dotierung auf Licht reagieren kann. So funktionieren LEDs, aber umgekehrt. Wir machen MEMS so, dass sie nicht auf Licht reagieren.“

Paketvolumen 8,2 mm ³ Er sei „relativ klein, hat aber im Moment keine Priorität. Wenn wir kleiner werden, erhöhen wir das Rauschen, und wenn wir das Rauschen erhöhen, ist das Produkt nicht mehr verwendbar“, fügte Dashorst hinzu.

Sonion sagte, dass seine bald erscheinende Q-Serie mit einer flachen Ansprechkurve und ohne Verzerrung kommt (Intermodulationsverzerrung oder IMD liegt unter 10 %). „Wenn Sie sich die Ansprechkurve der P-Serie ansehen, sehen Sie eine Spitze im Ansprechen um 10 Hz“, bemerkte Dashorst. „Dieser Peak ist nicht ideal, da jeder Ton, der auf dieser Frequenz eintrifft, im Vergleich zu dem, was Sie normalerweise haben, verstärkt wird.“

Um dies zu verhindern, „bauen Sie einen gewissen Widerstand in die Schaltung ein, um die Reaktion auf diese Frequenz zu verringern, insbesondere mit einem Tiefpassfilter“, fuhr er fort. Für die Q-Serie ist es Sonion gelungen, eine gedämpfte Ansprechkurve zu erzielen, „ohne das Rauschen hinzuzufügen, das man mit einem Tiefpassfilter hätte“, sagte Dashorst.

Die Q-Serie bietet auch eine Empfindlichkeit im Bereich von -35,5 dB 1 V/Pa bis -37,0 dB 1 V/Pa, während die Grundfläche und Dicke der P-Serie und O-Serie (3,35 x 2,50 mm) ähnlich sind.

In Labs

Die meisten handelsüblichen Hörgeräte verwenden Mikrofone, um das externe Schallfeld einzufangen. Da sich diese Mikrofone jedoch normalerweise in einem externen Element befinden, können sie Unbehagen verursachen, sportliche Aktivitäten einschränken oder ein soziales Stigma erzeugen. Es besteht ein dringender Bedarf an implantierbaren Hörgeräten, die einfach zu implantieren sind und eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die Universität Zürich und das Cochlear Technology Center Belgium gaben letztes Jahr bekannt, dass sie an einem MEMS-Kondensatormikrofon-basierten akustischen Empfänger für vollständig implantierbare Cochlea-Implantate (TICI) arbeiten.

ams AG arbeitet an Möglichkeiten zur Behandlung von Tinnitus und entwickelt eine neue Therapie mit Umgebungslärm. (Bild:ams AG)

Das implantierbare Mikrofon misst laut einem von der Acoustical Society of America veröffentlichten Papier die Druckschwankungen in der Cochlea (Innenohr), die durch die Außen- und Mittelohrkette induziert werden, ein sogenannter Intracochlear Acoustic Receiver (ICAR). Eine ICAR profitiert von den Verstärkungs- und Richtungshinweisen der Ohranatomie.

Auch an der Forschungsfront ams AG arbeitet an neuen Möglichkeiten zur Behandlung von Tinnitus. Tinnitus ist die Wahrnehmung eines anhaltenden Klingelns, Summens oder Summens, das oft mit einem Hörverlust verbunden ist, der durch eine Schädigung des Innenohrs verursacht wird, z. B. durch normales Altern oder durch laute Geräusche. Etwa 15 bis 20 % der Bevölkerung sind davon betroffen.

Das in Österreich ansässige Unternehmen hat nach eigenen Angaben eine Tinnitus-Therapie entwickelt, bei der Umgebungsgeräusche verwendet werden. Grundsätzlich verwendet es Hardware von ams zur aktiven Geräuschunterdrückung und verarbeitet Umgebungsgeräusche in ein personalisiertes Tinnitus-Trainingssignal.

„Diese Therapie hat sich als sehr effizient erwiesen, und je häufiger Tinnitus-Patienten sie anwenden, desto geringer wird ihr Tinnitus. Diese Therapie hat einen positiven Langzeiteffekt“, sagte Verena Vescoli, Senior Vice President of R&D, ams AG, beim jüngsten MEMS &Image Sensors Summit in Grenoble.

MEMS-Mikrofone ersetzen aufgrund mehrerer Vorteile zunehmend traditionelle Elektret-Kondensatormikrofone in Hörgeräten. Dazu gehören zuverlässige und robuste Designs mit geringer Anfälligkeit für das Eindringen von Partikeln, kleine Gehäusegrößen und hohe Leistung, wobei die Fortschritte in den Labors fortgesetzt werden.