Microphones MEMS avancés : sensibilité et fiabilité supérieures pour aides auditives

À une époque de vieillissement démographique mondial et de bruit environnemental croissant, la protection de la santé auditive n'a jamais été aussi critique. Les utilisateurs modernes exigent des aides auditives plus petites, consommant moins d'énergie et offrant un son cristallin — un ajustement idéal pour la technologie des microphones MEMS.

Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, plus de 5 % de la population mondiale — 466 millions de personnes — souffrent de perte auditive invalidante, et environ 900 millions d'individus (un sur dix) seront affectés d'ici 2050. La perte auditive invalidante est définie comme un seuil auditif dépassant 40 dB chez l'adulte ou 30 dB chez l'enfant dans l'oreille la plus performante.

ResearchAndMarkets.com projette le marché mondial des aides auditives à 7,62 milliards $ en 2023, croissant à un taux annuel composé de 6,4 % entre 2019 et 2023. Le marché englobe dispositifs auditifs, implants cochléaires, systèmes à conduction osseuse et instruments diagnostiques.

La fonction principale d'une aide auditive — capturer les sons ambiants pour amplification — repose sur son microphone. Alors que les microphones à condensateur électret ont dominé le secteur, les microphones MEMS (systèmes micro-électromécaniques) deviennent rapidement le choix privilégié.

« Les microphones MEMS offrent la fiabilité, la compacité et la performance électro-acoustique requises pour les applications d'aides auditives », a déclaré Manuel Tagliavini, analyste principal MEMS & capteurs chez IHS Markit, à Electronic Products.

Michael Knapp, VP Communications & Relations Investisseurs chez Knowles Corp., a souligné les avantages : conception robuste avec ingress minimal de particules, ratio sensibilité/taille leader, et circuits intégrés programmables offrant une performance polyvalente et ajustable.

Knapp a ajouté que depuis l'arrivée de la première génération de microphones MEMS pour la santé auditive il y a cinq ans, ils devraient représenter plus de la moitié de tous les microphones utilisés dans les dispositifs de santé auditive d'ici 2020.

Bien que le marché des microphones MEMS pour aides auditives soit encore modeste comparé aux téléphones mobiles ou écouteurs, il se développe rapidement. IHS Markit estime une croissance de 8 millions $ en 2017 à 48 millions $ en 2022, avec un TCAC de 42 %.

Tagliavini note que la technologie MEMS répond maintenant à la fiabilité de qualité médicale. « Après des milliards d'unités expédiées en électronique grand public, les microphones MEMS ont atteint la durabilité requise pour l'usage médical », a-t-il dit.

Il a ajouté que les avancées en taille, consommation d'énergie et coût — tirées par les demandes des smartphones et écouteurs — se traduisent directement en avantages pour les aides auditives.

Les progrès récents des microphones MEMS vont au-delà du matériel. Les réseaux de capteurs permettent maintenant la formation de faisceaux (beamforming) et la détection en champ lointain, tandis que des algorithmes sophistiqués classifient les sons — voix humaine, bruit de fond, etc. — et les amplifient ou atténuent sélectivement. Ces fonctionnalités, initialement adaptées à l'électronique grand public, sont désormais indispensables pour la technologie des aides auditives.

Knowles, pionnier des microphones MEMS depuis la fin des années 1990, propose des plateformes auditives de troisième et quatrième génération qui repoussent les limites de sensibilité et de performance bruit dans des boîtiers ultra-compacts.

La plateforme MM20 offre un rapport signal/bruit (SNR) de 70,5 dB et un niveau de pression acoustique (SPL) de 121 dB, en faisant le ratio SNR/taille le plus élevé et le bruit le plus bas du marché. Elle combine un capteur acoustique, un tampon d'entrée à faible bruit et un amplificateur de sortie — idéal pour l'audio large bande et les applications immunisées aux RF.

La plateforme MM25 s'appuie sur cette base avec un ASIC programmable offrant une grande polyvalence et un fonctionnement ultra-basse consommation (18 µA à 31 µA). Elle prend en charge le beamforming avancé et l'appairage de microphones, permettant aux concepteurs d'adapter la performance à des architectures d'aides auditives spécifiques.

Knowles anticipe que les innovations MEMS continues élargiront les plages de tension et courant, débloqueront de nouvelles applications et élèveront encore la performance électro-acoustique pour les fabricants d'aides auditives.

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

De l'autre côté de l'Atlantique, Sonion a/s se spécialise dans les technologies micro-acoustiques et micromécaniques pour instruments auditifs et hearables. Erik Dashorst, responsable grands comptes chez Sonion, a expliqué que les microphones MEMS sont beaucoup moins sensibles aux conditions environnementales comme l'humidité et la température comparés aux microphones électret, et peuvent être refondus directement sur PCB, éliminant le besoin de fils et de soudure manuelle.

Les microphones MEMS de la série O de Sonion, co-développés avec TDK-InvenSense, se déclinent en deux volumes compacts — 8 mm³ et 11 mm³. Les spécifications clés incluent un courant moyen de 31 µA, une sensibilité variant de –37 dB 1 V/Pa à –38 dB 1 V/Pa, et des niveaux de bruit entre 26 dB et 28,5 dB.

La nouvelle série P offre un SNR amélioré, une sensibilité plus élevée et une consommation d'énergie très faible. La sensibilité s'étend de –35,5 dB 1 V/Pa à –38 dB 1 V/Pa, le bruit entre 24,5 dB et 25 dB, et une consommation de batterie de 31 µA à 32 µA.

Dashorst a souligné que la série P est conçue pour être insensible aux sources lumineuses externes — un problème courant dans les dispositifs semi-conducteurs qui peut être atténué par des stratégies de dopage spécifiques. Il a également noté que la miniaturisation supplémentaire augmenterait le bruit, compromettant l'utilisabilité.

La future série Q de Sonion offre une courbe de réponse plate et une distorsion minimale (distorsion d'intermodulation inférieure à 10 %). Contrairement à la série P, la série Q élimine le pic de basse fréquence qui peut causer une amplification indésirable autour de 10 Hz, sans ajouter de bruit induit par filtre.

La série Q conserve des dimensions similaires aux séries P et O (3,35 × 2,50 mm) tout en offrant une sensibilité entre –35,5 dB 1 V/Pa et –37,0 dB 1 V/Pa.

Avancées en laboratoire

La plupart des aides auditives commercialement disponibles emploient des microphones externes, qui peuvent causer de l'inconfort, limiter l'activité physique et contribuer à la stigmatisation sociale. Il y a un besoin urgent de solutions implantables peu invasives mais hautement sensibles.

L'an dernier, l'Université de Zurich et le Centre de Technologie Cochléaire de Belgique ont annoncé des recherches sur un récepteur acoustique basé sur microphone MEMS à condensateur pour implants cochléaires totalement implantables (TICI). Le récepteur acoustique intracochléaire (ICAR) capture les fluctuations de pression dans la cochlée induites par la chaîne de l'oreille externe et moyenne, tirant parti de l'amplification et des indices de directionnalité naturels de l'oreille.

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

ams AG, une entreprise autrichienne, est pionnière dans le traitement des acouphènes qui exploite le bruit environnemental. En utilisant du matériel d'annulation active de bruit, elle transforme les sons ambiants en un signal d'entraînement personnalisé pour les acouphènes. Verena Vescoli, VP senior R&D chez ams, a rapporté que la thérapie réduit significativement la sévérité des acouphènes, surtout avec une utilisation fréquente, et produit des bénéfices durables.

Les microphones MEMS supplantent progressivement les microphones électret traditionnels dans les aides auditives grâce à leur fiabilité, construction robuste, ingress minimal de particules, taille compacte et performance supérieure. La recherche continue de repousser les limites, promettant une sensibilité encore plus grande, un bruit plus faible et des applications élargies pour l'industrie de la santé auditive.