Les microphones MEMS avancés améliorent la sensibilité et la fiabilité des aides auditives

Dans le contexte d'une population vieillissante et d'une exposition croissante au bruit environnemental, la santé auditive est plus importante que jamais. Les gens recherchent des aides auditives plus petites, plus économes en énergie et de meilleure qualité sonore, et les microphones MEMS sont bien placés pour répondre à ces attentes.

Plus de 5 % de la population mondiale - soit 466 millions de personnes - souffrent d'une perte auditive invalidante, et plus de 900 millions de personnes - une personne sur 10 - devraient souffrir d'une perte auditive invalidante d'ici 2050, selon l'Organisation mondiale de la santé. La perte auditive invalidante fait référence à une perte auditive supérieure à 40 décibels (dB) dans la meilleure oreille auditive chez les adultes et supérieure à 30 dB dans la meilleure oreille auditive chez les enfants.

Sans surprise, le marché mondial des aides auditives devrait atteindre 7,62 milliards de dollars en 2023, a rapporté ResearchAndMarkets.com, avec un taux de croissance annuel composé de 6,4% de 2019 à 2023. Ce marché comprend les appareils auditifs, les implants cochléaires, les systèmes de conduction osseuse et le diagnostic. instruments.

Une prothèse auditive détecte les sons afin de les amplifier pour l'utilisateur, ce qui nécessite un microphone. Les microphones à condensateur électret traditionnels sont longtemps restés les microphones les plus utilisés dans les appareils auditifs, mais les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) les remplacent de plus en plus.

« Les microphones MEMS présentent plusieurs avantages qui en font les solutions les plus adaptées aux applications finales telles que les prothèses auditives », a déclaré Manuel Tagliavini, analyste principal, MEMS et capteurs, IHS Markit, à Produits électroniques .

Les microphones MEMS offrent une conception très fiable et robuste avec une faible sensibilité à la pénétration de particules ; une empreinte ultra-compacte, offrant un rapport sensibilité/taille leader sur le marché ; des avancées technologiques apportant des performances électroacoustiques optimales, ainsi que des conceptions hautement polyvalentes et accordables avec des circuits intégrés programmables », a déclaré Michael Knapp, vice-président, communications et relations avec les investisseurs, Knowles Corp.

"Avec l'arrivée sur le marché de la première génération de microphones MEMS pour la santé auditive il y a seulement cinq ans, nous nous attendons à ce que les microphones MEMS représentent plus de la moitié des microphones utilisés sur le marché de la santé auditive en 2020", a-t-il ajouté.

Même s'il n'est pas comparable aux téléphones portables, aux haut-parleurs intelligents et aux écouteurs, le marché des microphones MEMS utilisés dans les appareils auditifs est en pleine croissance. Selon les dernières projections d'IHS Markit, il passera de 8 millions de dollars en 2017 à 48 millions de dollars en 2022, avec un TCAC de 42 % sur la période de prévision.

La technologie MEMS est maintenant suffisamment mature pour répondre aux exigences de qualité médicale. "Après les milliards d'unités produites et expédiées principalement pour les marchés de l'électronique grand public et du sans fil, elles ont atteint la fiabilité requise pour les applications médicales", a déclaré Tagliavini.

« De plus, les fournisseurs de microphones MEMS ont acquis au cours des dernières années une bonne expertise dans l'amélioration de la taille des produits, de la consommation d'énergie et du prix d'applications telles que les smartphones et les écouteurs. Ces exigences, en particulier la taille et la consommation d'énergie, sont partagées par les aides auditives », a-t-il ajouté.

Les développements les plus récents observés dans les microphones MEMS, a poursuivi Tagliavini, sont liés à la fonctionnalité de reconnaissance vocale et aux fonctionnalités clés des haut-parleurs intelligents, mais ils se développent également rapidement dans d'autres segments. « Les améliorations ne sont pas seulement du côté des capteurs, avec des réseaux de microphones qui permettent la formation de faisceaux et la détection en champ lointain, mais aussi du côté des logiciels [algorithmes]. Il est possible de nos jours de classer différents types de sons [voix humaine, bruit de fond, etc.] et de les amplifier ou de les atténuer de la manière la plus appropriée. »

Ces améliorations, qui ciblaient initialement les applications électroniques grand public, sont particulièrement adaptées aux appareils auditifs.

Knowles, qui a commencé à développer des microphones MEMS à la fin des années 90, propose désormais ses troisième et quatrième générations de microphones MEMS pour la santé auditive avec l'ambition de répondre aux attentes électro-acoustiques toujours croissantes des clients, ce qui signifie la sensibilité la plus élevée et le bruit le plus faible possible dans un espace compact à faible consommation, a déclaré Knapp. « Alors que l'esthétique des aides auditives gagne en importance, les clients souhaitent des composants plus petits qui permettent la créativité en conception industrielle. »

Avec un rapport signal sur bruit (SNR) de 70,5 dB et un niveau de pression acoustique de 121 dB, Knowles affirme que sa plate-forme MM20 de troisième génération est "le rapport de taille SNR le moins bruyant et le plus élevé du marché". Il se compose d'un capteur acoustique, d'un tampon d'entrée à faible bruit et d'un amplificateur de sortie. Ces appareils conviennent aux applications où d'excellentes performances audio à large bande et une immunité RF sont requises.

La plate-forme MM25, la quatrième génération de microphones MEMS pour la santé auditive de Knowles, utilise un ASIC programmable pour atteindre une grande polyvalence et optimiser sa plate-forme à faible bruit pour permettre une formation de faisceaux et un couplage de microphones hautes performances, a déclaré Knapp. Le MM25 peut être programmé pour des courants ultra-basse consommation entre 18 µA et 31 µA.

Knowles a déclaré que les progrès continus de la technologie MEMS apporteront de nouvelles capacités pour les microphones de santé auditive qui permettront des plages de tension/courant étendues et de nouvelles applications tout en continuant à améliorer l'électroacoustique pour les fabricants d'aides auditives.

La dernière génération de microphones MEMS pour la santé auditive de Knowles continue de diminuer en taille. (Image :Knowles Corp.)

De l'autre côté de l'Atlantique, Sonion a/s conçoit des technologies micro-acoustiques et micromécaniques pour les aides auditives, les moniteurs intra-auriculaires, les écouteurs et les appareils auditifs. « Les microphones MEMS pour prothèses auditives se différencient des microphones à électret par le fait que les MEMS sont moins sensibles aux conditions environnementales, telles que l'humidité et la température, et les conceptions permettent de les refondre directement sur un PCB plutôt que d'utiliser des fils et une soudure à la main » a déclaré Erik Dashorst, responsable grands comptes chez Sonion.

La société basée au Danemark fournit les microphones MEMS de la série O, co-développés avec TDK-InvenSense, dans deux petits facteurs de forme :8 mm ³ et 11 mm ³ (le volume). Les spécifications clés incluent un courant moyen de 31 µA, une sensibilité de -37 dB 1 V/Pa à -38 dB 1 V/Pa et des niveaux de bruit de 26 dB à 28,5 dB.

Selon Dashorst, la toute dernière série P de la société a « amélioré le SNR et offre une sensibilité plus élevée et une consommation d'énergie très faible ». La sensibilité varie entre -35,5 et -38 dB 1 V/Pa, les niveaux de bruit de 24,5 dB à 25 dB et la décharge de la batterie de 31 µA à 32 µA.

La série P se différencie par son insensibilité aux sources lumineuses externes, a déclaré Dashorst. « Avec les semi-conducteurs, un certain dopage est nécessaire pour que cela fonctionne. Cela signifie que si vous avez un certain type de dopage n ou p, il peut réagir à la lumière. C'est ainsi que fonctionnent les LED mais à l'inverse. Nous créons des MEMS de telle sorte qu'ils ne répondent pas à la lumière. »

Le volume de l'emballage, 8,2 mm ³ , est « relativement petit, mais ce n'est pas une priorité pour le moment. Si nous diminuons, nous augmentons le bruit, et si nous augmentons le bruit, le produit n'est plus utilisable », a ajouté Dashorst.

Sonion a déclaré que sa série Q, qui sortira bientôt, est livrée avec une courbe de réponse plate et sans distorsion (la distorsion d'intermodulation, ou IMD, est inférieure à 10%). "Si vous regardez la courbe de réponse de la série P, vous voyez un pic dans la réponse autour de 10 Hz", a noté Dashorst. "Ce pic n'est pas idéal, car tout son qui entre dans cette fréquence sera amplifié par rapport à ce que vous avez normalement."

Pour éviter cela, "vous mettez une certaine résistance dans le circuit pour abaisser la réponse à cette fréquence, en particulier avec un filtre passe-bas", a-t-il poursuivi. Pour la série Q, Sonion a réussi à avoir une courbe de réponse amortie "sans ajouter le bruit que vous auriez avec un filtre passe-bas", a déclaré Dashorst.

La série Q offre également une sensibilité comprise entre -35,5 dB 1 V/Pa et -37,0 dB 1 V/Pa, tandis que l'encombrement et l'épaisseur sont similaires à ceux des séries P et O (3,35 x 2,50 mm).

Dans les laboratoires

La plupart des aides auditives disponibles dans le commerce utilisent des microphones pour capturer le champ sonore externe. Mais parce que ces microphones sont généralement situés dans un élément externe, ils peuvent provoquer une gêne, limiter les activités sportives ou créer une stigmatisation sociale. Il existe un besoin pressant d'appareils auditifs implantables faciles à implanter et dotés d'une sensibilité élevée. L'Université de Zürich et le Cochlear Technology Center Belgium ont annoncé l'année dernière qu'ils travaillaient sur un récepteur acoustique basé sur un microphone à condensateur MEMS pour les implants cochléaires totalement implantables (TICI).

ams AG travaille sur des moyens de traiter les acouphènes, en développant une nouvelle thérapie utilisant le bruit environnemental. (Image :ams AG)

Le microphone implantable, selon un article publié par l'Acoustical Society of America, mesure les fluctuations de pression dans la cochlée (oreille interne), qui sont induites par la chaîne de l'oreille externe et moyenne, un soi-disant récepteur acoustique intracochléaire (ICAR). Un ICAR bénéficie des indices d'amplification et de directionnalité de l'anatomie de l'oreille.

Aussi, sur le front de la recherche, ams AG travaille sur de nouvelles façons de traiter les acouphènes. Les acouphènes sont la perception d'une sonnerie, d'un bourdonnement ou d'un bourdonnement persistants, souvent liés à une perte auditive causée par des dommages à l'oreille interne, tels que le vieillissement normal ou l'exposition à un bruit fort. Elle touche environ 15 à 20 % de la population.

La société autrichienne a déclaré avoir développé une thérapie contre les acouphènes utilisant le bruit ambiant. Fondamentalement, il utilise le matériel ams pour la suppression active du bruit et traite le bruit environnemental en un signal d'entraînement personnalisé pour les acouphènes.

« Cette thérapie s'est avérée très efficace, et plus les patients souffrant d'acouphènes l'utilisent fréquemment, plus leurs acouphènes diminuent. Cette thérapie a un effet positif à long terme », a déclaré Verena Vescoli, vice-présidente senior de la R&D, ams AG, lors du récent sommet MEMS &Image Sensors à Grenoble.

Les microphones MEMS remplacent de plus en plus les microphones à condensateur électret traditionnels dans les aides auditives grâce à plusieurs avantages. Ceux-ci incluent des conceptions fiables et robustes avec une faible sensibilité à la pénétration de particules, une petite taille d'emballage et des performances élevées, avec des progrès continus dans les laboratoires.