첨단 MEMS 마이크로폰, 보청기의 우수한 감도와 신뢰성 구현

전 세계 인구 고령화와 환경 소음 증가 시대에 청력 건강 보호는 그 어느 때보다 중요하다. 현대 사용자는 더 작고, 전력을 덜 소비하며, 맑은 소리를 제공하는 보청기를 원한다. 이는 MEMS 마이크로폰 기술에 이상적인 조건이다.

세계보건기구(WHO)에 따르면 세계 인구의 5% 이상인 4억 6,600만 명이 장애성 난청을 겪고 있으며, 2050년까지 약 9억 명(10명 중 1명)이 영향을 받을 것으로 추정된다. 장애성 난청은 성인의 경우 좋은 귀에서 40dB, 어린이의 경우 30dB를 초과하는 청력 역치로 정의된다.

ResearchAndMarkets.com은 글로벌 보청기 시장이 2023년 76억 2천만 달러에 도달하고, 2019~2023년 연평균 6.4% 성장할 것으로 전망한다. 시장은 보청 장치, 인공와우, 골전도 시스템, 진단 기기를 포함한다.

보청기의 핵심 기능인 주변 소리 포착 및 증폭은 마이크로폰에 의존한다. 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰이 오랫동안 이 분야를 지배해 왔지만, MEMS(미세전자기계시스템) 마이크로폰이 빠르게 선호되는 선택이 되고 있다.

"MEMS 마이크로폰은 보청기 애플리케이션에 필요한 신뢰성, 소형화, 전기음향 성능을 제공합니다"라고 IHS 마킷의 MEMS 및 센서 수석 애널리스트 마누엘 탈리아비니(Manuel Tagliavini)는 Electronic Products에 말했다.

놀스(Knowles Corp.)의 커뮤니케이션 및 투자자 관계 VP 마이클 냅(Michael Knapp)은 이점을 강조했다: 최소한의 입자 유입으로 견고한 설계, 업계 최고 감도-크기 비율, 다재다능하고 튜닝 가능한 성능을 제공하는 프로그래머블 집적 회로.

냅은 보청기용 1세대 MEMS 마이크로폰이 5년 전 시장에 나온 이후 2020년까지 보청기 기기에 사용되는 모든 마이크로폰의 절반 이상을 차지할 것으로 예상된다고 덧붙였다.

보청기용 MEMS 마이크로폰 시장은 여전히 모바일 폰이나 이어버드에 비해 작지만 빠르게 확장 중이다. IHS 마킷은 2017년 800만 달러에서 2022년 4,800만 달러로 성장하여 42% CAGR을 기록할 것으로 추정한다.

탈리아비니는 MEMS 기술이 이제 의료 등급 신뢰성을 충족한다고 지적한다. "소비자 전자제품에서 수십억 대가 출하된 후 MEMS 마이크로폰은 의료용으로 필요한 내구성을 달성했습니다"라고 그는 말했다.

그는 스마트폰과 이어버드 수요로 인한 크기, 전력 소비, 비용의 발전이 보청기 혜택으로 직접 이어진다고 덧붙였다.

MEMS 마이크로폰의 최근 발전은 하드웨어를 넘어선다. 센서 어레이는 이제 빔포밍과 원거리 감지를 가능하게 하며, 정교한 알고리즘은 소리(사람 목소리, 배경 소음 등)를 분류하고 선택적으로 증폭하거나 감쇠한다. 이 기능들은 원래 가전제품용으로 개발되었지만 이제 보청기 기술에 필수적이다.

1990년대 후반부터 MEMS 마이크로폰의 선구자인 놀스는 감도와 잡음 성능의 한계를 뛰어넘는 3세대 및 4세대 보청기 플랫폼을 제공한다.

MM20 플랫폼은 70.5dB 신호대잡음비(SNR)와 121dB 음압 레벨(SPL)을 제공하여 시장에서 가장 낮은 잡음과 최고 SNR-크기 비율을 달성한다. 음향 센서, 저잡음 입력 버퍼, 출력 증폭기를 결합하여 광대역 오디오와 RF 면역 애플리케이션에 이상적이다.

MM25 플랫폼은 이 기반 위에 프로그래머블 ASIC을 추가하여 높은 다재다능함과 초저전력 동작(18µA~31µA)을 제공한다. 고급 빔포밍과 마이크로폰 페어링을 지원하여 설계자가 특정 보청기 아키텍처에 맞춰 성능을 조정할 수 있게 한다.

놀스는 지속적인 MEMS 혁신이 전압과 전류 범위를 확장하고, 새로운 애플리케이션을 열며, 보청기 제조업체를 위한 전기음향 성능을 더욱 향상시킬 것으로 예상한다.

놀스의 최신 세대 보청기용 MEMS 마이크로폰은 크기가 계속 줄어들고 있다. (이미지: 놀스 코퍼레이션)

대서양 건너편에서 소니온(Sonion a/s)은 보청 기기와 히어러블을 위한 마이크로-어쿠스틱 및 마이크로-메카니컬 기술을 전문으로 한다. 소니온의 주요 계정 매니저 에릭 다쉬르스트(Erik Dashorst)는 MEMS 마이크로폰이 습도와 온도 같은 환경 조건에 일렉트릿 마이크로폰보다 훨씬 덜 민감하며, PCB에 직접 리플로우할 수 있어 와이어와 핸드 솔더링이 필요 없다고 설명했다.

TDK-인벤센스(TDK-InvenSense)와 공동 개발한 소니온의 O-시리즈 MEMS 마이크로폰은 8mm³와 11mm³의 두 가지 콤팩트한 볼륨으로 제공된다. 주요 사양에는 평균 전류 31µA, 감도 -37dB 1V/Pa ~ -38dB 1V/Pa, 잡음 레벨 26dB~28.5dB가 포함된다.

새로운 P-시리즈는 향상된 SNR, 더 높은 감도, 매우 낮은 전력 소비를 제공한다. 감도 -35.5dB 1V/Pa ~ -38dB 1V/Pa, 잡음 24.5dB~25dB, 배터리 드레인 31µA~32µA.

다쉬르스트는 P-시리즈가 외부 광원에 둔감하게 설계되었다고 강조했다. 이는 반도체 장치의 흔한 문제로 특정 도핑 전략으로 완화할 수 있다. 그는 추가 소형화는 잡음을 증가시켜 사용성을 저해할 것이라고 지적했다.

소니온의 차세대 Q-시리즈는 평탄한 응답 곡선과 최소 왜곡(상호변조 왜곡 10% 미만)을 제공한다. P-시리즈와 달리 Q-시리즈는 필터 유도 잡음을 추가하지 않고 10Hz 부근의 원치 않는 증폭을 유발할 수 있는 저주파 피크를 제거한다.

Q-시리즈는 P-시리즈 및 O-시리즈와 유사한 치수(3.35×2.50mm)를 유지하면서 -35.5dB 1V/Pa ~ -37.0dB 1V/Pa 사이의 감도를 제공한다.

실험실 발전

대부분의 상용 보청기는 외부 마이크로폰을 사용하여 불편함을 유발하고, 신체 활동을 제한하며, 사회적 낙인에 기여할 수 있다. 최소 침습적이면서 고감도인 이식형 솔루션에 대한 시급한 필요가 있다.

작년 취리히 대학과 벨기에 와우 기술 센터(Cochlear Technology Centre Belgium)는 완전 이식형 와우 이식(TICI)용 MEMS 콘덴서 마이크로폰 기반 음향 수신기 연구를 발표했다. 와우내 음향 수신기(ICAR)는 외이도와 중이 연쇄에 의해 유도된 와우 내 압력 변동을 포착하여 귀의 자연스러운 증폭과 방향성 단서를 활용한다.

ams AG가 환경 소음을 활용한 새로운 이명 치료법을 개발 중이다. (이미지: ams AG)

오스트리아 기업 ams AG는 환경 소음을 활용한 이명 치료를 개척하고 있다. 액티브 노이즈 캔슬링 하드웨어를 사용하여 주변 소리를 개인화된 이명 훈련 신호로 변환한다. ams의 R&D 수석 VP 베레나 베스콜리(Verena Vescoli)는 이 요법이 특히 자주 사용할 때 이명 심각도를 크게 줄이고 지속적인 이점을 제공한다고 보고했다.

MEMS 마이크로폰은 신뢰성, 견고한 구조, 최소 입자 유입, 소형 크기, 우수한 성능 덕분에 보청기에서 기존 일렉트릿 마이크로폰을 꾸준히 대체하고 있다. 지속적인 연구는 한계를 더욱 밀어붙여 보청 산업에 더 높은 감도, 더 낮은 잡음, 확장된 애플리케이션을 약속한다.