先进的 MEMS 麦克风提高助听器的灵敏度和可靠性

在人口老龄化和环境噪声暴露增加的背景下，听力健康比以往任何时候都更加重要。人们正在寻找更小、更节能、音质更高的助听器，而 MEMS 麦克风可以很好地满足这些期望。

根据世界卫生组织的数据，世界上超过 5% 的人口（即 4.66 亿人）患有致残性听力损失，预计到 2050 年将有超过 9 亿人（每 10 人中就有一人）患有致残性听力损失。致残性听力损失是指成人听力较好的耳朵听力损失大于40分贝（dB），儿童听力较好的耳朵听力损失大于30分贝。

据 ResearchAndMarkets.com 报道，不出所料，2023 年全球助听器市场预计将达到 76.2 亿美元，2019 年至 2023 年的复合年增长率为 6.4%。该市场包括助听器、人工耳蜗、骨传导系统和诊断仪器。

助听器检测声音以便为用户放大声音，这需要麦克风。长期以来，传统驻极体电容麦克风一直是助听器中最常用的麦克风，但微机电系统 (MEMS) 正逐渐取代它们。

“MEMS 麦克风具有多项优势，使其成为助听器等终端应用的最合适解决方案，”IHS Markit MEMS 和传感器首席分析师 Manuel Tagliavini 告诉 Electronic Products .

MEMS 麦克风提供高度可靠、稳健的设计，对粒子侵入的敏感性较低；超紧凑的占地面积，提供市场领先的灵敏度尺寸比； Knowles Corp. 通信和投资者关系副总裁 Michael Knapp 说：“技术进步带来了最佳的电声性能，以及具有可编程集成电路的高度通用和可调的设计。”

“随着第一代听力健康 MEMS 麦克风仅在五年前进入市场，我们预计到 2020 年，MEMS 麦克风将占听力健康市场使用的麦克风的一半以上，”他补充道。

即使无法与手机、智能音箱、耳机相比，用于助听器的MEMS麦克风市场也在快速增长。根据 IHS Markit 最新预测，2022 年的市场规模将从 2017 年的 800 万美元上升至 4800 万美元，预测期内复合年增长率为 42%。

MEMS 技术现在已经足够成熟，可以满足医疗级要求。 Tagliavini 说：“在主要为消费电子和无线市场生产和运输了数十亿台设备之后，它们已经达到了医疗应用所需的可靠性。

“此外，MEMS麦克风供应商在过去几年中在改进智能手机和耳塞等应用的产品尺寸、功耗和价格方面获得了良好的专业知识。这些要求，尤其是尺寸和功耗，由助听器共同承担，”他补充道。

Tagliavini 继续说，MEMS 麦克风的最新发展与智能扬声器的语音识别功能和关键特性有关，但它们在其他领域也迅速发展。 “改进不仅体现在传感器方面，麦克风阵列支持波束成形和远场传感，还体现在软件方面 [算法]。现在可以对不同种类的声音（人声、背景噪音等）进行分类，并以最合适的方式放大或减弱它们。”

这些增强功能最初针对消费电子应用，现在特别适用于助听器设备。

Knowles 于 1990 年代后期开始开发 MEMS 麦克风，现在提供其第三代和第四代听力健康 MEMS 麦克风，旨在满足客户不断增长的电声期望，这意味着在Knapp 说，这是一个低功耗、紧凑的空间。 “随着助听器美学的重要性日益增加，客户希望能够实现工业设计创意的更小的组件占用空间。”

凭借 70.5 dB 的信噪比 (SNR) 和 121 dB 的声压级，Knowles 声称其第三代 MM20 平台是“市场上噪声最低、SNR 尺寸比最高的平台”。它由一个声学传感器、一个低噪声输入缓冲器和一个输出放大器组成。这些器件适用于需要出色的宽带音频性能和射频抗扰度的应用。

Knapp 说，MM25 平台是 Knowles 的第四代听力健康 MEMS 麦克风，它使用可编程 ASIC 来实现其最低噪声平台的高度多功能性和优化，以实现高性能波束成形和麦克风配对。 MM25 可针对 18 µA 至 31 µA 之间的超低功耗电流进行编程。

Knowles 表示，MEMS 技术的不断进步将为听力健康麦克风带来新的功能，这将允许扩大电压/电流范围和新应用，同时继续改善助听器制造商的电声学。

Knowles 最新一代听力健康 MEMS 麦克风的尺寸不断缩小。 （图片：Knowles Corp.）

在大西洋的另一边， Sonion a/s 为助听器、入耳式监听器、耳机和耳戴式设备设计微声学和微机械技术。 “助听器 MEMS 麦克风与驻极体麦克风的不同之处在于，MEMS 对环境条件（如湿度和温度）不太敏感，而且其设计允许直接在 PCB 上回流，而不是使用电线和手工焊接，” Sonion 的大客户经理 Erik Dashorst 说。

这家总部位于丹麦的公司提供与 TDK-InvenSense 共同开发的 O 系列 MEMS 麦克风，具有两种小尺寸：8 毫米 ³ 和 11 毫米 ³ （体积）。主要规格包括 31 µA 的平均电流、-37 dB 1 V/Pa 至 -38 dB 1 V/Pa 的灵敏度以及 26 dB 至 28.5 dB 的噪声水平。

Dashorst 声称，该公司最新的 P 系列“提高了 SNR，并提供更高的灵敏度和非常低的功耗。”灵敏度范围为 -35.5 至 -38 dB 1 V/Pa，噪音水平为 24.5 dB 至 25 dB，电池消耗范围为 31 µA 至 32 µA。

Dashorst 说，P 系列的与众不同之处在于它对外部光源不敏感。 “对于半导体，需要进行一些掺杂才能使其发挥作用。这意味着如果你有某种类型的 n 掺杂或 p 掺杂，它可以对光起反应。这就是 LED 的工作方式，但方式相反。我们以不响应光的方式制造 MEMS。”

封装体积，8.2 mm ³ , 是“相对较小，但目前不是优先事项。如果我们变小，我们会增加噪音，如果我们增加噪音，产品将不再可用，”Dashorst 补充道。

Sonion 表示，其即将发布的 Q 系列具有平坦的响应曲线且无失真（互调失真或 IMD 低于 10%）。 “如果您查看 P 系列的响应曲线，您会看到大约 10 Hz 的响应峰值，”Dashorst 指出。 “这个峰值并不理想，因为与您通常拥有的相比，任何进入该频率的声音都会被放大。”

为了防止这种情况，“你在电路中放置了一些电阻来降低对该频率的响应，特别是使用低通滤波器，”他继续说道。 Dashorst 说，对于 Q 系列，Sonion 设法获得了阻尼响应曲线，“而不会增加低通滤波器的噪声”。

Q 系列还提供 -35.5 dB 1 V/Pa 至 -37.0 dB 1 V/Pa 范围内的灵敏度，而占地面积和厚度与 P 系列和 O 系列 (3.35 x 2.50 mm) 相似。

在实验室

大多数市售助听器使用麦克风来捕捉外部声场。但由于这些麦克风通常位于外部元件中，它们会引起不适、限制体育活动或造成社会污名。迫切需要易于植入且具有高灵敏度的可植入听力设备。苏黎世大学和比利时耳蜗技术中心去年宣布，他们正在开发一种基于 MEMS 电容麦克风的声学接收器，用于完全植入式人工耳蜗 (TICI)。

ams AG 正在研究治疗耳鸣的方法，开发一种利用环境噪音的新疗法。 （图片：ams AG）

根据美国声学学会发表的一篇论文，植入式麦克风测量耳蜗（内耳）中的压力波动，这是由外耳和中耳链引起的，即所谓的耳蜗内声学接收器 (ICAR)。 ICAR受益于耳朵解剖结构的放大和方向性线索。

此外，在研究方面， ams AG 正在研究治疗耳鸣的新方法。耳鸣是一种持续的铃声、嗡嗡声或嗡嗡声的感觉，通常与内耳损伤引起的听力损失有关，例如正常老化或暴露于嘈杂的噪音中。它影响了大约 15% 到 20% 的人口。

这家总部位于奥地利的公司表示，它已经开发出一种利用环境噪音的耳鸣疗法。基本上，它使用 ams 硬件进行主动降噪，并将环境噪声处理成个性化的耳鸣训练信号。

“这种疗法已被证明非常有效，耳鸣患者使用它的频率越高，他们的耳鸣就越低。这种疗法具有积极的长期效果，”艾迈斯半导体公司研发高级副总裁 Verena Vescoli 在最近于格勒诺布尔举行的 MEMS 和图像传感器峰会上说。

由于多项优势，MEMS 麦克风正在越来越多地取代助听器中的传统驻极体电容麦克风。其中包括可靠和稳健的设计，对颗粒侵入的敏感性低、封装尺寸小和性能高，而且实验室还在不断进步。