Как крошечный микрочип может произвести революцию в слуховых аппаратах

Майк Хаусхолдер, вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса компании xMEMS, объясняет, как новые твердотельные МЭМС-динамики могут изменить рынок слуховых аппаратов.

История слуховых аппаратов уходит вглубь веков, но первый узнаваемый и функциональный электрический слуховой аппарат появился в конце 19 века, когда в 1891 году французский инженер Эрнест Меркадье создал новаторское устройство, известное как «Акуфон».

Состоящий из угольного микрофона, который был соединен с наушником кабелем, микрофон улавливал звуковые колебания и преобразовывал их в электрические сигналы. Затем эти сигналы усиливались и передавались в ухо пользователя через наушник. 

В последующие десятилетия технологические разработки привели к значительному улучшению качества звука и значительному уменьшению размеров слуховых аппаратов. Неотъемлемой частью этого процесса стало постоянное совершенствование миниатюрных микрофонов и динамиков, открывшее эру малозаметных высокоэффективных слуховых аппаратов.

В настоящее время в большинстве слуховых аппаратов используются динамики со сбалансированной арматурой (BA), которые производители традиционно отдают предпочтение из-за их небольшого, компактного размера и эффективности / низкого энергопотребления, поскольку ожидается, что слуховые аппараты медицинского класса прослужат пользователю весь день.

Сбалансированные арматурные динамики также обеспечивают высококачественный звук в узком диапазоне частот — идеальная функциональность для усиления голоса, поскольку человеческий голос работает только в узком диапазоне частот. 

Но теперь, с появлением новой категории слуховых аппаратов, отпускаемых без рецепта, и устройств, превращающихся из чисто медицинских продуктов в настоящие повседневные устройства с дизайном, похожим на наушники, необходима альтернативная архитектура динамиков, чтобы гарантировать качество и надежность, а также достичь более высокий уровень звукового исполнения.


Коуэлл (слева) и сбалансированная арматура (справа)

Переход на твердотельный кремний

Сегодня полностью кремниевые динамики MEMS (микроэлектромеханические системы) только начинают появляться на рынке. Динамики с подвижной катушкой, от которых произошли динамики BA, уже более века являются основной технологией воспроизведения звука.
Это многокомпонентный механический узел, состоящий из звуковой катушки, магнита, шасси/рамы, бумажной/пластиковой диафрагмы/конуса, пылезащитного колпачка и крестовины (подвески).

Напротив, динамики MEMS объединяют все эти функции в единый кремниевый элемент, в результате чего получается монолитная структура для воспроизведения звука, который по своей природе является более однородным, последовательным, надежным и легким, с улучшенным звуковым разрешением.

Эти крошечные устройства заменяют катушку и приводной механизм магнита тонкопленочным пьезослоем (слой в полупроводниковой пластине), а кремний заменяет бумажно-пластиковую диафрагму.

Этот переход от механического к твердотельному далеко не нов. Компьютерные жесткие диски превратились из вращающихся дисков в твердотельные накопители, начиная с 1990-х годов. В аудиопространстве, по данным отраслевого аналитика МЭМС Yole Group, твердотельные МЭМС-микрофоны занимали всего 5% рынка в 2007 году, но к 2022 году эта доля составила 72%. По мере того, как твердотельные динамики поступают в производство, они могут следовать той же траектории, и вот почему.

Меньший размер, более широкий частотный диапазон

Самая очевидная причина — размер. Достаточно одного взгляда на МЭМС-динамик, чтобы увидеть, что он еще меньше по общей площади/размеру по сравнению с типичной сбалансированной арматурой. Длина и ширина аналогичны BA, но ключевое отличие заключается в меньшей высоте.

Это означает, что динамики MEMS могут прекрасно вписаться в любой форм-фактор слухового аппарата, включая устройства Receiver in Canal (RIC).

Менее очевидным является то, что динамики MEMS могут воспроизводить полный диапазон частот человеческого слуха от 20 Гц до 20 кГц. Таким образом, ваш слуховой аппарат может не только усиливать голоса, но и использоваться для богатого и сложного воспроизведения мультимедиа, включая музыку, подкасты, фильмы и т. д. Это становится все более важным, поскольку усовершенствованные слуховые аппараты сочетают в себе лучшие функции наушников Bluetooth ( потоковая передача мультимедиа) и слуховые аппараты (усиление голоса).

Реальность такова, что современные динамики BA не могут полностью воспроизвести низкочастотный звук, и многие из них не воспроизводят большую часть звука выше 8 кГц — как низкие, так и расширенные высокие частоты необходимы для истинного воспроизведения медиа. 

Надежный и последовательный

Физически твердотельные динамики MEMS более надежны, чем BA, потому что они сделаны из одной монолитной кремниевой структуры и более устойчивы к падениям или механическим ударам. Они имеют класс защиты IP58 от влаги, пыли и твердых частиц, что идеально подходит для пользователей слуховых аппаратов, которые полагаются на свои устройства в различных условиях.

Кроме того, громкоговорители MEMS могут производиться быстро и в больших масштабах благодаря установленным высокопроизводительным заводам по производству кремния. Вместо того, чтобы собирать динамики из разрозненных частей, теперь мы можем «выгравировать» их в кремнии, используя стандартные полупроводниковые процессы и упаковку. Ожидается, что благодаря новой OTC-инициативе потребительский спрос на слуховые аппараты резко возрастет. Большие производственные мощности MEMS смогут удовлетворить этот повышенный спрос, когда поставщики BA могут с трудом успевать. 

Как насчет потребителей?

Говоря о потребителях, для них важнее всего то, что динамики MEMS помогают создавать более качественные и удобные слуховые аппараты. Тонкая пленка пьезоактиватора наносится слоем в процессе производства полупроводников на кремний, который служит диафрагмой динамика для перемещения воздуха и воспроизведения звука.

Именно жесткость кремния помогает воспроизводить звук более высокого качества, а также однородность и постоянство производства полупроводников.

Без катушки, которая приводится в действие, и с компонентами привода и диафрагмы, изготовленными из кремния, твердотельные динамики мгновенно реагируют на напряжение, а это означает, что нет смазанности или обесцвечивания звука, вызванных резонирующими частями.

Частотная характеристика также намного более плавная, а динамики MEMS предлагают линейную характеристику без резонансных пиков и провалов, характерных для многих устройств BA. Линейная частотная характеристика означает, что каждая частота воспроизводится с одинаковым акцентом, сохраняя предполагаемый баланс и тональность исходного источника.

 В слуховых аппаратах это приводит к более естественному, реалистичному звуку, который точно отражает естественный слух пользователя. 

Помимо качества звука, комфорт обычно является главным приоритетом для потребителей, учитывая, что они должны носить свои устройства весь день. Традиционные БА обычно не вентилируются. Таким образом, поскольку диафрагма динамика выталкивает воздух для создания звука, он может создавать давление в слуховом проходе, что приводит к длительному дискомфорту в барабанной перепонке.

Диафрагма динамика в динамиках MEMS вентилируется. Когда он срабатывает, вентилируемая диафрагма позволяет любому нарастанию давления воздуха выйти из задней части динамика, чтобы не давить на барабанную перепонку.

Вторая проблема, связанная с комфортом при использовании слуховых аппаратов, заключается в балансировании открытых и закрытых ушных вкладышей для устранения эффектов окклюзии, т. е. повышенного восприятия внешних звуков, включая собственный голос, дыхание или шаги .

В xMEMS мы разработали для этого новое активное вентиляционное решение под названием Skyline. Skyline — это отдельный чип, использующий ту же платформу piezoMEMS, что и наши динамики. Вентиляционное отверстие Skyline можно открывать и закрывать по желанию, что позволяет закрывать ухо, когда это предпочтительнее, например, в самолете, и оставлять его открытым во время рабочего вызова.

Skyline делает слуховые аппараты более гибкими и адаптируемыми к различным сценариям ношения/использования.

Динамики MEMS демонстрируют очевидные преимущества как для производителей слуховых аппаратов, так и для потребителей, и эта технология имеет проверенный опыт работы в других категориях электроники.

По мере того, как потребители используют медиа-ориентированные слуховые аппараты, подключенные по Bluetooth, продолжают расти, динамики MEMS имеют уникальные возможности для удовлетворения растущего спроса, в то время как производители BA могут с трудом успевать за ними.