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MEMS 기반 생체모사 음향센서 제작 및 주파수 특성 분석
Fabrication of Biomimetic MEMS Acoustic Sensor and Analysis of Its Frequency Characteristics 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.31 no.5, 2011년, pp.522 - 528  

허신 (한국기계연구원 나노융합시스템연구본부) ,  정영도 (한국기계연구원 나노융합시스템연구본부) ,  이영화 (한국기계연구원 나노융합시스템연구본부) ,  송원준 (한국기계연구원 나노융합시스템연구본부) ,  김완두 (한국기계연구원 나노융합시스템연구본부)

초록
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인간의 청각기능을 보조하거나 대체할 수 있는 차세대 인공와우기술의 개발은 기존 인공와우의 단점인 잦은 충전, 장애 노출 등을 극복하고 향상된 음감을 전달할 수 있는 기술로서 세계적으로 많은 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 달팽이관의 기저막이 갖는 주파수 분리 기능 및 유모세포(haircell)의 이온채널 작용에 의한 생체 전기신호 발생 기능을 할 수 있는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 압전 박막형 인공기저막을 설계, 제작 및 시험평가를 하고자 하였다. 생체 기저막과 유사한 주파수 분리 특성을 갖는 사다리꼴 형상의 인공기저막을 제작하고, MEMS 공정을 이용한 전극 증착 및 유체 유동이 가능한 챔버를 형성하였다. 또한 인공기저막의 거동을 측정하기 위하여 비접촉 LDV측정 장비, 스피커, 기준 마이크로폰 등을 사용하여 실험 장치를 구성하였다. 기계적 성능시험 결과, PVDF 압전박막형 인공기저막은 입사하는 음파의 주파수 분리를 잘 수행할 수 있음을 실험적으로 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Artificial basilar membranes made of PVDF(polyvinylidene fluoride) are manufactured using microfabrication processes. The mechanical behavior of PVDF artificial basilar membrane was measured to evaluate its performance as a mechanical frequency analyzer using scanning LDV(laser Doppler vibrometer). ...

주제어

#생체모사   #청각센서   #압전   #공진주파수   #레이저 도플러 진동계   #인공기저막  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 하지만 이러한 기존의 인공와우는 외부 신호 처리기와 마이크 등의 장치 때문에 잦은 충전이 필요하며 장애의 노출, 제한된 전극 개수 등의 단점이 있어 고유의 청감을 전달하기가 어렵다. 본 연구에서는 달팽이관의 기저막이 갖는 주파수 분리 기능 및 유모세포(haircell)의 이온채널 작용에 의한 생체 전기신호 발생 기능을 할 수있는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 박막형 인공기 저막을 개발하는 것이 목적이다. PVDF 박막형 인공기저막은 비교적 공정이 용이한 닥터블레이드기법을 사용하여 웨이퍼에 PVDF 박막을 형성하여 주파수 분리기능을 갖는 사다리꼴 기저막형상으로 제작하고, MEMS 공정을 이용하여 전극 증착 및 유체 유동이 가능한 챔버를 형성한다.
  • 본 연구의 목적은 달팽이관의 기저막이 갖는 주파수 분리 기능 및 유모세포의 이온채널 작용에 의한 생체 전기신호 발생 기능을 할 수 있는 PVDF 박막형 인공기저막을 개발하는 것이다. PVDF 박막형 인공기저막은 생체 기저막과 유사한 주파수 분리 특성을 갖는 형상으로 제작하고 MEMS 공정을 이용하여 전극 증착 및 유체를 채울 수 있는 챔버를 제작하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기저막은 어떤 모양을 하고 있나? 1(b)의 달팽이관내 기저막의 구조를 이용한 주파수 분리 현상은 Békésy를 통해 밝혀졌다[1]. 기저막은 폭이 얇고 긴 사다리꼴의 모양을 하고 있으며 중이와 연결된 기저부는 두껍고 폭이 좁아 강성이 크고, 내부에 위치한 첨부로 갈수록 얇고 유연하며 폭이 넓어져 강성이 작아진다. 따라서 기저막의 기저부는 높은 주파수의 음파에서 공진되고 첨부로 갈수록 낮은 주파수의 음파에서 공진되어 주파수 분리가 기저막을 따라 기계적으로 일어나는 것을 알 수 있다.
기존의 인공와우의 문제점은? 국내의 경우, 서울대 초미세생체전자시스템 연구센터에서 2001년부터 (주)뉴로바이오시스와 협력하여 인공와우 개발을 진행하고 있으며, 여기서 개발하고 있는 인공와우 시스템은 음성처리 및 신경 자극이 일체화되어 체내에 이식되는 완전이식형 시스템이 아니며, 현재 상용시스템과 동일하게 전원 또한 외부에 의존하는 시스템이다. 하지만 이러한 기존의 인공와우는 외부 신호 처리기와 마이크 등의 장치 때문에 잦은 충전이 필요하며 장애의 노출, 제한된 전극 개수 등의 단점이 있어 고유의 청감을 전달하기가 어렵다. 본 연구에서는 달팽이관의 기저막이 갖는 주파수 분리 기능 및 유모세포(haircell)의 이온채널 작용에 의한 생체 전기신호 발생 기능을 할 수있는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 박막형 인공기 저막을 개발하는 것이 목적이다.
압전박막형 인공기저막 시스템의 하부 지지구조 내측에는 어떤 공간이 형성되나? 하부 지지구조 내측에는 유체를 담을 수 있는 소정의 공간이 형성되고, 상측에는 위의 상부전극, 압전 소재, 하부전극으로 구성된 기저막을 가지고 있다. 형성된 인공기저막에 음파가 들어오면, 이 음파가 하부 구조물의 유체를 유동시키고, 이로 인해 기저막이 변형하게 되고, 이 기저막의 상부 및 하부 전극이 압전박막과 함께 변형되면서 전기신호(전류)를 발생한다.
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참고문헌 (8)

  1. G. V. Bekesy, "Some Biophysical Experiments from Fifty Years Ago," Annual Review of Physiology 36: 1 (1974) 

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  2. L. Robles and M. A. Ruggero, "Mechanics of the mammalian cochlea," Physiological Reviews, Vol. 81, No. 3, pp. 1305-1352 (2001) 

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  3. R. D. White and K. Grosh, "Microengineered hydromechanical cochlear model," Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 102, No. 5, pp. 1296-1301 (2004) 

  4. T. Xu, "Polymeric micro-cantilever array for auditory front-end processing," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 114, Issue: 2-3, pp. 176-182 (2004) 

  5. M. J. Wittbrodt, "A life-sized model of the human cochlea: design, analysis, fabrication, and measurements," Ph.D Thesis, Boston University (2005) 

  6. N. Mukherjee, R. D. Roseman and J. P. Willging, "The piezoelectric cochlear implant: concept, feasibility, challenges, and issues," Journal of Biomedical Materials Research PartB: Applied Biomaterials, Vol. 53, No. 2, pp. 181-187 (2000) 

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  7. J. Chen, J. Engel and L. Chang, "Development of polymer-based artificial haircell using surface micromachining and 3D assembly," Transducers, Vol. 2, pp. 1035-1038 (2003) 

  8. H. Shintaku, T. Nakagawa, D. Kitagawa, H. Tanujaya, S. Kawano and J. Ito, "Development of p일iezoelectric acoustic sensor with frequency selectivity for artificial cochlea," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 158, No. 2, pp. 183-192 (2010) 

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