Mikrofon MEMS tingkat lanjut meningkatkan sensitivitas dan keandalan alat bantu dengar

Dalam konteks populasi yang menua dan peningkatan paparan kebisingan lingkungan, kesehatan pendengaran lebih penting dari sebelumnya. Orang-orang mencari alat bantu dengar yang lebih kecil, lebih hemat daya, dan berkualitas suara lebih tinggi, dan mikrofon MEMS berada di posisi yang tepat untuk memenuhi harapan tersebut.

Lebih dari 5% populasi dunia – atau 466 juta orang – memiliki gangguan pendengaran yang melumpuhkan, dan lebih dari 900 juta orang – satu dari setiap 10 orang – diperkirakan akan mengalami gangguan pendengaran yang melumpuhkan pada tahun 2050, menurut Organisasi Kesehatan Dunia. Menonaktifkan gangguan pendengaran mengacu pada gangguan pendengaran yang lebih tinggi dari 40 desibel (dB) pada telinga dengan pendengaran yang lebih baik pada orang dewasa dan lebih tinggi dari 30 dB pada telinga dengan pendengaran yang lebih baik pada anak-anak.

Tidak mengherankan, pasar alat bantu dengar global diperkirakan mencapai $7,62 miliar pada tahun 2023, lapor ResearchAndMarkets.com, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 6,4% dari 2019 hingga 2023. Pasar ini terdiri dari alat bantu dengar, implan koklea, sistem konduksi tulang, dan diagnostik instrumen.

Alat bantu dengar mendeteksi suara untuk memperkuatnya bagi pengguna, dan ini membutuhkan mikrofon. Mikrofon kondensor electret tradisional telah lama menjadi mikrofon yang paling banyak digunakan dalam alat bantu dengar, tetapi sistem mikro-elektromekanis (MEMS) semakin menggantikannya.

“Mikrofon MEMS memiliki beberapa keunggulan yang menjadikannya solusi paling cocok untuk aplikasi akhir seperti alat bantu dengar,” Manuel Tagliavini, analis utama, MEMS &sensor, IHS Markit, mengatakan kepada Produk Elektronik .

Mikrofon MEMS menawarkan desain yang sangat andal dan kokoh dengan kerentanan rendah terhadap masuknya partikel; jejak ultra-kompak, menawarkan rasio sensitivitas-terhadap-ukuran terdepan di pasar; kemajuan teknologi menghadirkan kinerja elektro-akustik yang optimal, serta desain yang sangat fleksibel dan dapat disetel dengan sirkuit terintegrasi yang dapat diprogram,” kata Michael Knapp, wakil presiden, komunikasi &hubungan investor, Knowles Corp.

“Dengan generasi pertama mikrofon MEMS kesehatan pendengaran yang memasuki pasar hanya lima tahun yang lalu, kami berharap mikrofon MEMS mencakup lebih dari setengah mikrofon yang digunakan di pasar kesehatan pendengaran pada tahun 2020,” tambahnya.

Meskipun tidak sebanding dengan handset seluler, speaker pintar, dan earphone, pasar untuk mikrofon MEMS yang digunakan dalam alat bantu dengar berkembang pesat. Menurut proyeksi IHS Markit terbaru, itu akan meningkat dari $8 juta pada tahun 2017 menjadi $48 juta pada tahun 2022, dengan CAGR sebesar 42% selama periode perkiraan.

Teknologi MEMS sekarang cukup matang untuk memenuhi persyaratan tingkat medis. “Setelah miliaran unit diproduksi dan dikirim terutama untuk elektronik konsumen dan pasar nirkabel, mereka telah mencapai keandalan yang dibutuhkan untuk aplikasi medis,” kata Tagliavini.

“Selain itu, pemasok mikrofon MEMS telah memperoleh keahlian yang baik selama beberapa tahun terakhir dalam meningkatkan ukuran produk, konsumsi daya, dan harga untuk aplikasi seperti smartphone dan earbud. Persyaratan ini, terutama ukuran dan konsumsi daya, dimiliki oleh alat bantu dengar,” tambahnya.

Perkembangan terbaru yang terlihat pada mikrofon MEMS, lanjut Tagliavini, terkait dengan fungsi pengenalan suara dan fitur utama di speaker pintar, tetapi juga berkembang pesat di segmen lain. “Peningkatan tidak hanya di sisi sensor, dengan susunan mikrofon yang memungkinkan beamforming dan penginderaan medan jauh, tetapi juga di sisi perangkat lunak [algoritma]. Saat ini dimungkinkan untuk mengklasifikasikan berbagai jenis suara [suara manusia, kebisingan latar belakang, dll.] dan memperkuat atau melemahkannya dengan cara yang paling tepat.”

Penyempurnaan ini, yang awalnya menargetkan aplikasi elektronik konsumen, sangat cocok untuk perangkat alat bantu dengar.

Knowles, yang mulai mengembangkan mikrofon MEMS pada akhir 1990-an, kini menawarkan mikrofon MEMS kesehatan pendengaran generasi ketiga dan keempat dengan ambisi untuk memenuhi ekspektasi elektro-akustik pelanggan yang terus meningkat, yang berarti sensitivitas tertinggi dan kebisingan serendah mungkin di ruang yang ringkas dan berdaya rendah, kata Knapp. “Seiring pentingnya estetika alat bantu dengar, pelanggan menginginkan komponen yang lebih kecil yang memungkinkan kreativitas desain industri.”

Dengan rasio signal-to-noise (SNR) 70,5-dB dan tingkat tekanan suara 121-dB, Knowles mengklaim platform MM20 generasi ketiganya adalah “rasio ukuran SNR tertinggi dengan noise terendah di pasar.” Ini terdiri dari sensor akustik, buffer input kebisingan rendah, dan penguat output. Perangkat ini cocok untuk aplikasi yang memerlukan kinerja audio pita lebar yang sangat baik dan kekebalan RF.

Platform MM25, mikrofon MEMS kesehatan pendengaran generasi keempat Knowles, menggunakan ASIC yang dapat diprogram untuk mencapai keserbagunaan tinggi dan optimalisasi platform dengan noise terendah untuk memungkinkan beamforming kinerja tinggi dan pemasangan mikrofon, kata Knapp. MM25 dapat diprogram untuk arus daya sangat rendah antara 18 A dan 31 A.

Knowles mengatakan kemajuan berkelanjutan dalam teknologi MEMS akan menghadirkan kemampuan baru untuk mikrofon kesehatan pendengaran yang memungkinkan perluasan rentang tegangan/arus dan aplikasi baru sambil terus meningkatkan akustik elektro untuk produsen alat bantu dengar.

Mikrofon MEMS kesehatan pendengaran generasi terbaru dari Knowles terus menyusut ukurannya. (Gambar:Knowles Corp.)

Di sisi lain Atlantik, Sonion a/s merancang teknologi mikro-akustik dan mikromekanis untuk alat bantu dengar, monitor in-ear, earphone, dan alat dengar. “Mikrofon alat bantu dengar MEMS dibedakan dari mikrofon elektret oleh fakta bahwa MEMS kurang sensitif terhadap kondisi lingkungan, seperti kelembaban dan suhu, dan desainnya memungkinkannya untuk dialirkan langsung pada PCB daripada menggunakan kabel dan solder tangan,” kata Erik Dashorst, manajer akun utama di Sonion.

Perusahaan yang berbasis di Denmark ini menyediakan mikrofon MEMS O-Series, yang dikembangkan bersama dengan TDK-InvenSense, dalam dua faktor bentuk kecil:8 mm ³ dan 11 mm ³ (volume). Spesifikasi utama mencakup arus rata-rata 31 A, sensitivitas dari -37 dB 1 V/Pa hingga -38 dB 1 V/Pa, dan tingkat kebisingan dari 26 dB hingga 28,5 dB.

P-Series terbaru perusahaan, Dashorst mengklaim, telah “meningkatkan SNR dan menawarkan sensitivitas yang lebih tinggi dan konsumsi daya yang sangat rendah.” Sensitivitas berkisar antara -35,5 dan -38 dB 1 V/Pa, tingkat kebisingan dari 24,5 dB hingga 25 dB, dan pengurasan baterai dari 31 A hingga 32 A.

P-series membedakan dirinya dengan ketidakpekaannya terhadap sumber cahaya eksternal, kata Dashorst. “Dengan semikonduktor, beberapa doping diperlukan untuk membuatnya bekerja. Ini berarti bahwa jika Anda memiliki jenis n-doping atau p-doping tertentu, ia dapat bereaksi terhadap cahaya. Begitulah cara kerja LED tetapi sebaliknya. Kami membuat MEMS sedemikian rupa sehingga mereka tidak merespons cahaya.”

Volume paket, 8,2 mm ³ , adalah “relatif kecil, tetapi itu bukan prioritas saat ini. Jika kami mengecilkan, kami meningkatkan kebisingan, dan jika kami meningkatkan kebisingan, produk tidak dapat digunakan lagi,” tambah Dashorst.

Sonion mengatakan Q-Series yang akan segera dirilis hadir dengan kurva respons datar dan tanpa distorsi (distorsi intermodulasi, atau IMD, di bawah 10%). “Jika Anda melihat kurva respons seri-P, Anda melihat puncak dalam respons sekitar 10 Hz,” kata Dashorst. “Puncak ini tidak ideal, karena suara apa pun yang masuk dalam frekuensi tersebut akan diperkuat dibandingkan dengan yang biasanya Anda miliki.”

Untuk mencegah hal ini, “Anda menempatkan beberapa resistensi di sirkuit untuk menurunkan respons terhadap frekuensi itu, terutama dengan filter low-pass,” lanjutnya. Untuk Q-Series, Sonion berhasil memiliki kurva respons teredam “tanpa menambahkan noise yang akan Anda dapatkan dengan filter low-pass,” kata Dashorst.

Q-Series juga memberikan sensitivitas dalam kisaran -35,5 dB 1 V/Pa hingga -37,0 dB 1 V/Pa, sedangkan footprint dan ketebalannya serupa dengan P-series dan O-series (3,35 x 2,50 mm).

Di lab

Sebagian besar alat bantu dengar yang tersedia secara komersial menggunakan mikrofon untuk menangkap medan suara eksternal. Tetapi karena mikrofon ini biasanya terletak di elemen eksternal, mereka dapat menyebabkan ketidaknyamanan, membatasi aktivitas olahraga, atau menciptakan stigma sosial. Ada kebutuhan mendesak akan alat bantu dengar implan yang mudah ditanamkan dan memiliki sensitivitas tinggi. Universitas Zürich dan Pusat Teknologi Cochlear Belgia mengumumkan tahun lalu bahwa mereka sedang mengerjakan penerima akustik berbasis mikrofon kondensor MEMS untuk implan koklea total (TICI).

ams AG sedang mencari cara untuk mengobati tinnitus, mengembangkan terapi baru menggunakan kebisingan lingkungan. (Gambar:ams AG)

Mikrofon implan, menurut sebuah makalah yang diterbitkan oleh Acoustical Society of America, mengukur fluktuasi tekanan di koklea (telinga bagian dalam), yang diinduksi oleh rantai telinga luar dan tengah, yang disebut penerima akustik intrakoklea (ICAR). Manfaat ICAR dari amplifikasi dan petunjuk arah anatomi telinga.

Juga, di bidang penelitian, ams AG sedang mengerjakan cara baru untuk mengobati tinnitus. Tinnitus adalah persepsi suara dering, dengungan, atau dengungan yang terus-menerus, sering dikaitkan dengan gangguan pendengaran yang disebabkan oleh kerusakan pada telinga bagian dalam, seperti penuaan normal atau paparan suara keras. Ini mempengaruhi sekitar 15% hingga 20% populasi.

Perusahaan yang berbasis di Austria itu mengatakan telah mengembangkan terapi tinitus menggunakan kebisingan lingkungan. Pada dasarnya, perangkat ini menggunakan perangkat keras ams untuk peredam bising aktif dan memproses kebisingan lingkungan menjadi sinyal pelatihan tinnitus yang dipersonalisasi.

“Terapi ini terbukti sangat efisien, dan semakin sering pasien tinnitus menggunakannya, semakin rendah tinnitusnya. Terapi ini memiliki efek jangka panjang yang positif,” kata Verena Vescoli, wakil presiden senior R&D, ams AG, pada MEMS &Image Sensors Summit baru-baru ini di Grenoble.

Mikrofon MEMS semakin menggantikan mikrofon kondensor electret tradisional dalam alat bantu dengar berkat beberapa keunggulan. Ini termasuk desain yang andal dan kokoh dengan kerentanan rendah terhadap masuknya partikel, ukuran paket kecil, dan kinerja tinggi, dengan kemajuan yang terus berlanjut di lab.