Fortschrittliche MEMS-Mikrofone treiben überlegene Hörgeräte-Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit

In einer Ära alternder Weltbevölkerung und eskalierender Umgebungslärm ist der Schutz der Hörgesundheit nie kritischer gewesen. Moderne Nutzer fordern Hörgeräte, die kleiner sind, weniger Strom verbrauchen und kristallklaren Sound liefern – eine ideale Passform für MEMS-Mikrofon-Technologie.

Laut Weltgesundheitsorganisation leiden mehr als 5 % der Weltbevölkerung – 466 Millionen Menschen – an beeinträchtigendem Hörverlust, und schätzungsweise 900 Millionen Menschen (einer von zehn) werden bis 2050 betroffen sein. Beeinträchtigender Hörverlust ist definiert als Hörschwelle über 40 dB bei Erwachsenen oder 30 dB bei Kindern im besseren Ohr.

ResearchAndMarkets.com prognostiziert, der globale Hörgeräte-Markt werde 2023 7,62 Milliarden Dollar erreichen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 6,4 % zwischen 2019 und 2023. Der Markt umfasst Hörgeräte, Cochlea-Implantate, Knochenleitungssysteme und Diagnostikinstrumente.

Die Kernfunktion eines Hörgeräts – Erfassen von Umgebungsgeräuschen zur Verstärkung – basiert auf seinem Mikrofon. Während Elektret-Kondensatormikrofone den Sektor lange dominierten, werden MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Mikrofone rasch zur bevorzugten Wahl.

„MEMS-Mikrofone bieten die Zuverlässigkeit, Kompaktheit und elektroakustische Leistung, die für Hörgeräte-Anwendungen erforderlich sind“, sagte Manuel Tagliavini, Principal Analyst für MEMS & Sensoren bei IHS Markit, zu Electronic Products.

Michael Knapp, VP Communications & Investor Relations bei Knowles Corp., hob die Vorteile hervor: robustes Design mit minimalem Partikeleintrag, führendes Empfindlichkeits-zu-Größe-Verhältnis und programmierbare integrierte Schaltungen, die vielseitige, abstimmbare Leistung liefern.

Knapp fügte hinzu, dass seit der ersten Generation von Hörgesundheits-MEMS-Mikrofonen vor fünf Jahren diese bis 2020 voraussichtlich mehr als die Hälfte aller in Hörgesundheitsgeräten verwendeten Mikrofone ausmachen werden.

Obwohl der MEMS-Mikrofon-Markt für Hörgeräte im Vergleich zu Mobiltelefonen oder Earbuds noch bescheiden ist, expandiert er rasant. IHS Markit schätzt Wachstum von 8 Millionen Dollar 2017 auf 48 Millionen Dollar 2022, mit 42 % CAGR.

Tagliavini merkt an, dass MEMS-Technologie nun medizinische Zuverlässigkeit erreicht. „Nach Milliarden ausgelieferter Einheiten in Consumer Electronics haben MEMS-Mikrofone die für medizinische Nutzung erforderliche Haltbarkeit erreicht“, sagte er.

Er fügte hinzu, dass Fortschritte in Größe, Stromverbrauch und Kosten – getrieben durch Smartphone- und Earbud-Nachfrage – direkt in Hörgeräte-Vorteile übersetzt werden.

Jüngste Fortschritte bei MEMS-Mikrofonen gehen über Hardware hinaus. Sensor-Arrays ermöglichen jetzt Beamforming und Fernfeld-Sensing, während ausgefeilte Algorithmen Sounds klassifizieren – menschliche Sprache, Hintergrundgeräusche etc. – und diese selektiv verstärken oder dämpfen. Diese Features, ursprünglich für Consumer Electronics maßgeschneidert, sind nun unverzichtbar für Hörgeräte-Technologie.

Knowles, Pionier bei MEMS-Mikrofonen seit den späten 1990ern, bietet Plattformen der dritten und vierten Generation für Hörgesundheit, die die Grenzen von Empfindlichkeit und Rauschleistung in ultra-kompakten Gehäusen verschieben.

Die MM20-Plattform liefert ein 70,5-dB Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und 121 dB Schalldruckpegel (SPL), was sie zum niedrigst-geräuschigsten, höchsten SNR-zu-Größe-Verhältnis am Markt macht. Sie kombiniert einen akustischen Sensor, einen niedrig-rauschenden Eingangs-Puffer und einen Ausgangsverstärker – ideal für Breitband-Audio und RF-immune Anwendungen.

Die MM25-Plattform baut darauf auf mit einem programmierbaren ASIC, der hohe Vielseitigkeit und ultraniedrigen Stromverbrauch (18 µA bis 31 µA) bietet. Sie unterstützt fortschrittliches Beamforming und Mikrofon-Pairing, sodass Designer Leistung auf spezifische Hörgeräte-Architekturen zuschneiden können.

Knowles erwartet, dass laufende MEMS-Innovationen Spannungs- und Strombereiche erweitern, neue Anwendungen erschließen und die elektroakustische Leistung für Hörgeräte-Hersteller weiter steigern.

Knowles' neueste Generation von Hörgesundheits-MEMS-Mikrofonen schrumpft weiter in der Größe. (Bild: Knowles Corp.)

Über den Atlantik hinweg spezialisiert sich Sonion a/s auf mikroakustische und mikromechanische Technologien für Hörinstrumente und Hearables. Erik Dashorst, Key Account Manager bei Sonion, erklärte, dass MEMS-Mikrofone weit weniger anfällig für Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Temperatur sind als Elektret-Mikrofone und direkt auf PCBs reflötet werden können, was Drähte und Handlöten überflüssig macht.

Sonions O-Serie MEMS-Mikrofone, koentwickelt mit TDK-InvenSense, kommen in zwei kompakten Volumina – 8 mm³ und 11 mm³. Schlüsselspezifikationen umfassen einen durchschnittlichen Strom von 31 µA, Empfindlichkeit von –37 dB 1 V/Pa bis –38 dB 1 V/Pa und Rauschpegel zwischen 26 dB und 28,5 dB.

Die neue P-Serie bietet verbessertes SNR, höhere Empfindlichkeit und sehr niedrigen Stromverbrauch. Empfindlichkeit reicht von –35,5 dB 1 V/Pa bis –38 dB 1 V/Pa, Rauschen zwischen 24,5 dB und 25 dB, und Batterieentladung von 31 µA bis 32 µA.

Dashorst hob hervor, dass die P-Serie darauf ausgelegt ist, unempfindlich gegenüber externen Lichtquellen zu sein – ein häufiges Problem bei Halbleiterbauelementen, das durch spezifische Dotierungsstrategien gemildert werden kann. Er merkte auch an, dass weitere Miniaturisierung Rauschen erhöhen und die Nutzbarkeit beeinträchtigen würde.

Sonions kommende Q-Serie liefert eine flache Frequenzgangkurve und minimale Verzerrung (Intermodulationsverzerrung unter 10 %). Im Gegensatz zur P-Serie eliminiert die Q-Serie den Tief-Frequenz-Peak, der unerwünschte Verstärkung um 10 Hz verursachen kann, ohne filterinduziertes Rauschen hinzuzufügen.

Die Q-Serie behält ähnliche Abmessungen wie P- und O-Serie (3,35 × 2,50 mm) bei, bietet aber Empfindlichkeit zwischen –35,5 dB 1 V/Pa und –37,0 dB 1 V/Pa.

In-Lab-Fortschritte

Die meisten kommerziell verfügbaren Hörgeräte nutzen externe Mikrofone, die Unbehagen verursachen, körperliche Aktivität einschränken und zu sozialer Stigmatisierung beitragen. Es besteht dringender Bedarf an implantierbaren Lösungen, die minimalinvasiv, aber hochsensibel sind.

Letztes Jahr kündigten die Universität Zürich und das Cochlear Technology Centre Belgium Forschung zu einem MEMS-Kondensatormikrofon-basierten akustischen Empfänger für vollständig implantierbare Cochlea-Implantate (TICI) an. Der intracochleare akustische Empfänger (ICAR) erfasst Druckschwankungen innerhalb der Cochlea, induziert durch die äußere und mittlere Ohrkette, und nutzt die natürliche Verstärkung und Richtwirkung des Ohres.

ams AG arbeitet an neuen Wegen zur Tinnitus-Behandlung, entwickelt eine neue Therapie mittels Umgebungsgeräuschen. (Bild: ams AG)

ams AG, ein österreichisches Unternehmen, pioniert Tinnitus-Behandlung, die Umgebungsgeräusche nutzt. Mit aktiver Geräuschunterdrückungs-Hardware transformiert es Umgebungsgeräusche in ein personalisiertes Tinnitus-Trainingssignal. Verena Vescoli, Senior VP R&D bei ams, berichtete, dass die Therapie die Tinnitus-Schwere signifikant reduziert, besonders bei häufiger Nutzung, und anhaltende Vorteile bringt.

MEMS-Mikrofone verdrängen stetig traditionelle Elektret-Mikrofone in Hörgeräten dank ihrer Zuverlässigkeit, robuster Konstruktion, minimalem Partikeleintrag, kompakter Größe und überlegener Leistung. Laufende Forschung verschiebt weiterhin die Grenzen und verspricht noch größere Empfindlichkeit, niedrigeres Rauschen und erweiterte Anwendungen für die Hörgesundheits-Industrie.