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문제 정의
- 본 논문에서는 기존의 완전 이식형 보청기용 음향센서가 가지는 문제점을 해소하기 위한 하이브리드 음향센서에 이용되는 진동 기반의 가속도 센서를 제안하였다. 제안한 가속도 센서는 외이도를 통해 인가되는 음향신호에 의해 고막에서 발생되는 진동 신호를 포집하게 된다.
- 본 논문에서는 지름 3.2 mm의 크기를 갖는 하이브리드 음향센서에 이용되는 진동 기반의 초소형가속도 음향센서를 제안하였다. 가속도 센서의 진동 막은 유한요소법 (finite element method)을 이용하여 기하학적인 구조를 산출하고, 고주파 대역에서 충실한 음향 포집을 할 수 있도록 진동막의 가변요소를 제어하여 최적의 주파수 특성을 가지도록 설계하였다.
제안 방법
- 2 mm의 크기를 갖는 하이브리드 음향센서에 이용되는 진동 기반의 초소형가속도 음향센서를 제안하였다. 가속도 센서의 진동 막은 유한요소법 (finite element method)을 이용하여 기하학적인 구조를 산출하고, 고주파 대역에서 충실한 음향 포집을 할 수 있도록 진동막의 가변요소를 제어하여 최적의 주파수 특성을 가지도록 설계하였다. 해석 결과를 기반으로 화학적 식각 공정을 통해 진동막을 제작하였다.
- 이는 음압 기반의 음향 센서가 고주파 대역에서 감도가 저하되는 특성을 보완하여 하이브리드 음향센서가 광대역 고감도 특성을 갖도록 한다. 가속도 센서의 진동부인 진동막은 수학적 모델링과 유한요소법을 통하여 가변요소와 기하학적인 구조를 산출하였다. 진동막의 주파수특성을 확인하기 위해 각각의 가변요소에 대한 구조 해석을 수행하여 최적 구조를 도출하였다.
- 진동막에 외력을 인가하기 위해 압전소자 (PZT)를bottom plate에 부착하고, 진동막 상단에는 ECM을 고정하였다. 그 후 압전소자를 600 nm로 구동하여진동막에서 발생하는 진동을 레이저 도플러 진동 측정기를 이용하여 측정하였으며, 그 실험 환경은 그림 9와 같다. LDV를 통해 측정된 진동막의 주파수 특성은 그림 10의 붉은 실선과 같고, 이를 구조해석 결과 (검은 실선)와 비교해보면 약간의 진동 변위 감소와 공진주파수가 저주파 대역으로 약 200Hz 천이되었다.
- 해석 결과를 기반으로 화학적 식각 공정을 통해 진동막을 제작하였다. 그리고 제작된 진동 막은 외력을 이용한 진동 측정 실험을 통해 주파수특성을 측정하였고 이를 유한요소 해석 결과와 비교함으로써 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
- 따라서 제작을용이하게 하기 위해서 진동막의 구조는 빔의 유효 각 60°와 빔의 두께가 80 μm으로 결정하였다.
- 하이브리드 음향센서는 그림 4(c)와 같이 음향센서의 저주파 대역 감도와 가속도 센서의 고주파 대역 감도가 결합되어 고감도 광대역 특성을 가지는 것이 특징이다. 본 논문에서 제안한 가속도 센서는 두 전극 판인 진동막 바로 아래 부착되는 평판 (plate) 전극과 이와 대응되는 백플레이트 (backplate) 전극에 의해 정전 용량이 생성된다. 외력에 의해 고막이 진동하면 이에 반응하는 진동막에 부착된 상단의 ECM 질량에 의해 두 전극판의 정전용량 변화가 나타나게 되며 이 변화 값이 클수록 진동 기반의 가속도 센서의 감도는 높다.
- 유한요소 해석 결과를 바탕으로 외경 3 mm, 유효각이 60°인 4개의 빔 그리고 빔의 두께는 80 μm를 가지도록 스테인리스 스틸 금속판에 화학적 식각을 가하여 제작을 하였다.
- 또한, 진동막과 입출력 bottom plate의 결합을 고려하여 빔의 유효 각도는 최소 30°에서 최대 60°로 제한하였다. 유한요소 해석은 빔의 개수를 제외한 진동막의 강성계수에 가장 큰 영향을 주는 빔의 두께와 빔의 길이에 대해 구조해석(structural analysis)을 수행하였다. 해석 수행에는 진동막의 재료인 스테인리스 스틸 (stainless steels-grade 304)의 물성 값을 사용하였으며, 빔에 가해진 질량은 음압기반의 ECM (직경 3 mm)의 무게인 35 mg을 적용하였다.
- 본 논문에서는 기존의 완전 이식형 보청기용 음향센서가 가지는 문제점을 해소하기 위한 하이브리드 음향센서에 이용되는 진동 기반의 가속도 센서를 제안하였다. 제안한 가속도 센서는 외이도를 통해 인가되는 음향신호에 의해 고막에서 발생되는 진동 신호를 포집하게 된다. 이는 음압 기반의 음향 센서가 고주파 대역에서 감도가 저하되는 특성을 보완하여 하이브리드 음향센서가 광대역 고감도 특성을 갖도록 한다.
- 제안한 진동막의 구조는 그림 5와 같으며, 진동막을 구성하는 빔의 개수, 폭, 두께, 그리고 길이에 따라 특성이 결정된다. 그러므로 진동막의 구성요소를 적절히 가변한다면 진동 기반의 가속도 센서에서 요구되는 진동 주파수 특성을 가지게 할 수 있다.
- 제작된 진동막의 주파수 특성을 확인하기 위해 외력에 의한 진동 특성 측정 실험을 수행하였다. 진동막에 외력을 인가하기 위해 압전소자 (PZT)를bottom plate에 부착하고, 진동막 상단에는 ECM을 고정하였다.
- 진동 기반의 가속도 센서 사이즈는 고막의 해부학적 구조를 고려하여 결정하였다. 고막 사이즈는평균 가로 10 mm, 세로 8 mm인 것으로 알려져 있으며 두께는 0.
- 제작된 진동막의 주파수 특성을 확인하기 위해 외력에 의한 진동 특성 측정 실험을 수행하였다. 진동막에 외력을 인가하기 위해 압전소자 (PZT)를bottom plate에 부착하고, 진동막 상단에는 ECM을 고정하였다. 그 후 압전소자를 600 nm로 구동하여진동막에서 발생하는 진동을 레이저 도플러 진동 측정기를 이용하여 측정하였으며, 그 실험 환경은 그림 9와 같다.
- 가속도 센서의 진동부인 진동막은 수학적 모델링과 유한요소법을 통하여 가변요소와 기하학적인 구조를 산출하였다. 진동막의 주파수특성을 확인하기 위해 각각의 가변요소에 대한 구조 해석을 수행하여 최적 구조를 도출하였다. 해석 결과를 기반으로 화학적 식각 공정을 통해 진동막을 구현하고, 외력에 의한 진동 측정 실험을 수행하였다.
- 진동막의 주파수특성을 확인하기 위해 각각의 가변요소에 대한 구조 해석을 수행하여 최적 구조를 도출하였다. 해석 결과를 기반으로 화학적 식각 공정을 통해 진동막을 구현하고, 외력에 의한 진동 측정 실험을 수행하였다. 실험을 통해 측정된 주파수 특성과 해석 결과를 비교함으로써 제안한 진동막 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
- 가속도 센서의 진동 막은 유한요소법 (finite element method)을 이용하여 기하학적인 구조를 산출하고, 고주파 대역에서 충실한 음향 포집을 할 수 있도록 진동막의 가변요소를 제어하여 최적의 주파수 특성을 가지도록 설계하였다. 해석 결과를 기반으로 화학적 식각 공정을 통해 진동막을 제작하였다. 그리고 제작된 진동 막은 외력을 이용한 진동 측정 실험을 통해 주파수특성을 측정하였고 이를 유한요소 해석 결과와 비교함으로써 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
대상 데이터
- 제안한 진동막의 사이즈는외경과 내경은 3 mm와 2 mm이고 각각의 빔이 90°를 유지하며 4개로 구성되어있다.
- 유한요소 해석은 빔의 개수를 제외한 진동막의 강성계수에 가장 큰 영향을 주는 빔의 두께와 빔의 길이에 대해 구조해석(structural analysis)을 수행하였다. 해석 수행에는 진동막의 재료인 스테인리스 스틸 (stainless steels-grade 304)의 물성 값을 사용하였으며, 빔에 가해진 질량은 음압기반의 ECM (직경 3 mm)의 무게인 35 mg을 적용하였다. 그리고 빔의 폭은 화학적 식각 공정의 용이성을 고려하여 0.
데이터처리
- 위에 정의된 수학적 모델을 통한 각 구성요소들의 수식을 유도한 것은 진동막 설계에 있어 가장 큰 영향을 미치는 가변요소들을 찾고 이것을 이용하여 유한요소 해석 (finite element analysis, FEA)을 수행하기 위함이다. 식 (2)를 이용하여 진동막의 주파수 특성에 대한 근사치 값을 구할 수 있지만,좀 더 명확한 값을 도출하기 위하여 유한요소 해석프로그램 (COMSOL Multiphysics 5.0)을 이용하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 그 후 압전소자를 600 nm로 구동하여진동막에서 발생하는 진동을 레이저 도플러 진동 측정기를 이용하여 측정하였으며, 그 실험 환경은 그림 9와 같다. LDV를 통해 측정된 진동막의 주파수 특성은 그림 10의 붉은 실선과 같고, 이를 구조해석 결과 (검은 실선)와 비교해보면 약간의 진동 변위 감소와 공진주파수가 저주파 대역으로 약 200Hz 천이되었다. 이는 제작상의 조립에 의한 오차라고 추정이 되지만, 해석 결과와 전반적인 진동특성이 거의 유사한 것으로 보아 설계대로 진동막이 제작된 것으로 판단할 수 있다.
- 해석 결과를 기반으로 화학적 식각 공정을 통해 진동막을 구현하고, 외력에 의한 진동 측정 실험을 수행하였다. 실험을 통해 측정된 주파수 특성과 해석 결과를 비교함으로써 제안한 진동막 설계에 대한 타당성을 검증하였다. 그 결과, 제안한 가속도 센서는 기존의 완전 이식형 보청기용 음향센서를 대체할 수 있는 하이브리드 음향센서에 이용되는 진동 기반의 가속도 센서로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 완전 이식형 인공중이를 구현하기 위해서는 기존 인공중이용 음향센서가 가지는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 구조의 이식형 음향센서 개발이 필요하다. 저주파 감도 특성이 우수한 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰 (electret condenser microphone, ECM)과 고주파 감도 특성이 우수한가속도 음향센서가 결합된 하이브리형 음향 센서(hybrid acoustic sensor)라면 고감도 광대역 주파수특성을 제공할 수 있어 기존의 이식형 음향센서가 가지는 문제점을 충분히 극복할 수 있을 것으로 예상된다.
- 해석결과를 살펴보면 빔의 유효각이 60°일 때 빔의 두께가 80 μm, 45° 일 때 빔의 두께는 60 μm 그리고 30° 일 때 빔의 두께는 40 μm일 경우 진동막 설계 목표 값에 가까운 3.6 kHz에서 기계적 공진이 발생하였다.
후속연구
- 실험을 통해 측정된 주파수 특성과 해석 결과를 비교함으로써 제안한 진동막 설계에 대한 타당성을 검증하였다. 그 결과, 제안한 가속도 센서는 기존의 완전 이식형 보청기용 음향센서를 대체할 수 있는 하이브리드 음향센서에 이용되는 진동 기반의 가속도 센서로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 기존의 완전 이식형 보청기용 음향센서가 가지는 문제점들과 기계적 메커니즘의 한계를 근본적으로 해소하고, 완전 이식형 보청기용 음향센서로서 성능을 충분히 발휘할 수 있는 새로운 구조의 이식형 음향센서 개발이 필요하다.
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