KR101200355B1 - Piezoelectric Thin Film Based Frequency Separator for Artificial Cochlear and Fabrication Method Thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 손상된 내이의 기능을 대신하는 인공와우용 주파수 분리기에 관한 것이다. 더 자세하게는 압력을 받으면 전기를 발생시키는 특성을 가진 압전박막을 이용한 자가발전 기능을 갖는 인공와우용 주파수 분리기에 관한 것으로서, 외부 전원이 필요 없고 음파에 따라 발생하는 전기신호를 발생시켜 뇌간에 정보를 전달하는 인체내 이식이 가능한 인공와우 주파수 분리기에 관한 것이다.
The present invention relates to a cochlear frequency separator that replaces the function of a damaged inner ear. More specifically, the present invention relates to a cochlear frequency separator having a self-power generation function using a piezoelectric thin film having a characteristic of generating electricity when pressure is applied, and does not require an external power source and generates an electrical signal generated according to sound waves to provide information to the brain stem. The present invention relates to a cochlear implant frequency cochlear implant.
귀는 크게 외이, 중이, 내이로 구성되어 있는데, 소리는 공기의 진동을 통해 외이로부터 중이의 고막에 전달된 후 이소골(auditory ossicles)의 진동으로 와우의 난원창(oval window)에 전달되며, 와우 내의 유체가 진동하여 코티기저막(tectorial membrane)의 움직임으로 유모세포(hair cell)에서 생성된 전기신호가 수상돌기(dendrite)를 통해 나선신경절(spiral ganglion)에 전달되는 이 신호는 다시 청신경의 뉴런을 자극하여 대뇌에 전달되어 외부 소리를 인식하게 된다.
The ear is largely composed of the outer ear, middle ear, and inner ear. The sound is transmitted from the outer ear to the eardrum through the vibration of the air and then to the oval window of the cochlea by the vibration of the auditory ossicles. The fluid inside vibrates and the electrical signals generated from the hair cells by the movement of the tectorial membrane are transmitted to the spiral ganglion through the dendrite. It is stimulated and transmitted to the cerebrum to recognize external sounds.
달팽이관내의 기저막은 외부음파에 대해서 매우 국지적인 지역에서 특정 주파수에 반응하는 동조 특성을 보인다. 인간의 달팽이관내의 기저막이 인지하는 주파수범위는 20Hz에서 20kHz까지의 3decade 주파수 밴드 범위로서 120dB의 동적 범위를 가지고 0.5% 이하의 음질을 구별한다. 또한, 달팽이관내의 기저막은 약 35mm, 10mm3의 체적을 가진 기관으로서 인간의 가청주파수를 기저막의 특정 부분에서 분리해내는 정교한 가청주파수 분리기이다.
The basement membranes in the cochlea show tuning characteristics that respond to specific frequencies in areas very local to the external sound waves. The frequency range perceived by the basement membrane in the human cochlea is a 3decade frequency band ranging from 20 Hz to 20 kHz with a dynamic range of 120 dB and distinguishes sound quality below 0.5%. In addition, the basement membrane in the cochlea is an organ with a volume of about 35 mm and 10 mm 3 , a sophisticated audible frequency separator that separates human audible frequencies from certain parts of the basement membrane.
이런 정교한 기관이 심하게 훼손되거나, 주파수 분리 능력을 상실하게 되면 청각 보조 장치인 인공와우를 사용하게 되는데, 현재 인공와우(cochlea implant) 구조는 도 1에서 도시한 바와 같이, 외부음파는 마이크로폰(10)에 의해 감지되며 아날로그 신호로 변환되어 음성처리기(11)에 전달된다. 상기 전달된 아날로그 신호는 아날로그/디지털 변환기(A/D convertor)을 사용하여 부호화된 디지털신호로 변환한다. 여기까지의 신호는 신체 외부에서 처리되며, 디지털 변환된 신호는 수신기와 송신기(12)에서 신체 내로 전달되고 와우 내에 삽입되어 있는 전극(14) 채널에 의해 청신경을 전기적으로 자극하여 뇌에 전달함으로써 외부음파를 인식하게 된다.
When such a sophisticated organ is severely damaged or loses the frequency separation capability, a cochlear implant, which is a hearing aid, is used. The cochlea implant structure is illustrated in FIG. 1, and the external sound wave is a
기존의 인공와우의 문제점을 개선한 발명으로 대한민국 특허공개공보 제10-2009-010873호는 귓속형 음성처리기 및 체내 이식체를 포함하는 인공와우 장치를 개시하였다. 상기 인공와우 장치에서, 상기 음성처리기와 상기 체내 이식체는 적외선 통신에 의하여 신호를 송수신하며, 외부로부터 RF 통신을 통하여 전력을 공급받기 위한 코일을 포함하며 상기 체내 이식체는 상기 코일을 통하여 외부로부터 전력을 공급받아 충전할 수 있는 인공와우 장치이다. 상기 특허는 충전기가 외부에 존재하는 것이 아니라 내부에 있어 외부 전력으로부터 전력을 공급받을 수 있어 기존 시스템보다 개량된 시스템이다.
Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2009-010873 discloses a cochlear implant device including an intrinsic voice processor and an implanted body. In the cochlear implant device, the voice processor and the implanted body includes a coil for transmitting and receiving a signal by infrared communication and receiving power from the outside through the RF communication, and the implanted body from the outside through the coil It is a cochlear implant device that can be powered and charged. The patent is a system that is improved from the existing system because the charger is not present in the outside but can be powered from the external power inside.
또 다른 발명으로 대한민국 특허공개공보 제10-2009-0118558호는 외부의 음성 신호를 전기 신호로 변환시키는 신호처리부와, 변환된 전기 신호를 인체 내에 이식된 전기적 자극 발생 장치에 전달하는 송신부와, 상기 신호처리부 및 송신부를 내부에 수용하며, 내부 일측에 배터리수용 공간이 마련되어 있는 케이스를 포함하는 인공와우용 음향처리기를 제공하고, 상기 케이스의 배터리 수용공간 외측으로 결합되는 배터리 하우징을 더 포함할 수 있는 인공와우 시스템을 제공한다. 상기 특허는 충전기가 외부에 존재하고 있고 배터리 수용 공간을 확장할 수 있는 시스템이다.
In another invention, Korean Patent Publication No. 10-2009-0118558 discloses a signal processing unit for converting an external voice signal into an electrical signal, a transmission unit for transmitting the converted electrical signal to an electrical stimulation generating device implanted in the human body, and A signal processor and a transmitter are accommodated therein, and provide a cochlear acoustic processor including a case having a battery accommodating space on one side thereof, and further comprising a battery housing coupled to the battery accommodating space of the case. Provide a cochlear implant system. The patent is a system in which the charger is external and can expand the battery receiving space.
대한민국 특허 공개번호 제10-2009-010873호와 제10-2009-0118558호는 현재 인공와우 시스템의 배터리가 외부에서 내부로 변화되어 가고 있지만, 마이크로폰, 음성처리기, 수신기와 송신기, 전극 등으로 구성되고, 이를 구동하기 위한 또 다른 전자회로 장치들이 필요하다. 따라서 외부음파를 코딩된 신호로 처리하여 전기적 신호로 변환하여 전극에 자극하기까지 너무 복잡한 경로에 의존하여 필요 이상으로 인공와우 장치의 단가가 고가이며, 시스템 구동에 많은 전기를 소모하게 된다.
Korean Patent Publication Nos. 10-2009-010873 and 10-2009-0118558 are currently being used to change the cochlear implant system from the outside to the inside, but are composed of a microphone, a voice processor, a receiver and a transmitter, and an electrode. Another electronic circuit device is needed to drive this. Therefore, the cost of the cochlear implant device is expensive and consumes a lot of electricity to drive the system, depending on the too complicated path from the external sound wave to a coded signal to convert into an electrical signal to stimulate the electrode.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 고안된 대한민국 특허공개공보 제10-2009-0041893호는 나노와이어의 압전 특성을 활용한 자가 전원 기능을 갖는 인공와우 주파수 분석기이다. 상기 발명은 음파의 특정 주파수 성분에 기저막의 특정 위치가 운동하고, 상기 기저막 위에 수직 성장된 나노와이어의 진동을 상부에 형성된 전극에 의하여 특정 주파수의 전기 신호를 발생하는 구조이다.
Korea Patent Publication No. 10-2009-0041893 designed to solve the above problems is a cochlear implant frequency analyzer having a self-power function using the piezoelectric properties of the nanowires. The present invention has a structure in which a specific position of the base film is moved to a specific frequency component of the sound wave, and an electric signal of a specific frequency is generated by an electrode formed on the vibration of the nanowire vertically grown on the base film.
그러나, 상기 발명은 상, 하부 등 복잡한 구조물이 요구되어 제조공정이 복잡해질 수 있고, 상부 구조물에 있는 톱니 형태의 전극을 정확하게 하부 구조물에 있는 나노와이어에 일정한 거리를 두고 접촉시키는데 어려움이 있다. 또한, 상기 하부 구조물 위에박막을 일렬 성장시키기가 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
However, the present invention requires complicated structures such as upper and lower parts, which may complicate the manufacturing process, and it is difficult to accurately contact the tooth-shaped electrode in the upper structure with a certain distance to the nanowires in the lower structure. In addition, it has a problem that it is difficult to grow a thin film in series on the lower structure.
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 단순한 반도체 제조 공정과 간단한 구조물을 사용하여 특정 음의 주파수에 진동하는 기저막의 특성을 모사한 압전박막을 인공기저막 위에 제조하여 주파수 진동에 의한 기계적 에너지를 전기신호로 변환하고, 변환된 전기신호는 개별 전극을 통하여 청신경에 전달되는 인공와우용 주파수 분리기를 제공하고자 한다. 즉, 본 발명은 주파수를 분별하여 생체 전기신호를 발생시켜 뇌간에 정보를 전달하는 인공와우용 주파수 분리기를 제공하는 데에 있다.
In order to solve the above problems, the present invention uses a simple semiconductor manufacturing process and a simple structure to fabricate a piezoelectric thin film that simulates the characteristics of the base film vibrating at a particular sound frequency on the artificial base film to provide mechanical energy due to frequency vibration to an electrical signal. In order to provide a cochlear frequency separator, the converted electrical signal is transmitted to the auditory nerve through individual electrodes. That is, the present invention is to provide a cochlear implant frequency separator for generating a bioelectrical signal by separating the frequency to deliver information to the brain stem.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명은 유연한 기판, 상기 기판 위에 형성된 다수의 압전박막, 상기 압전박막의 상부에 연결된 상부전극, 상기 압전박막의 하부에 연결된 하부전극, 상기 기판의 하부에 형성되는 주파수 분리기 본체 및 상기 주파수 분리기 본체 내부에 포함된 유체를 포함하는 주파수 분리기에 있어서, 음파가 상기 유체를 진동시키면 상기 유체의 기계적 진동이 상기 기판에 전달되고, 상기 기판에 연결된 상기 압전박막을 상하로 진동시켜 전기신호를 발생시키고, 상기 전기신호가 상기 상부전극 및 하부전극에 전달되는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention for solving the above problems is a flexible substrate, a plurality of piezoelectric thin films formed on the substrate, an upper electrode connected to the upper portion of the piezoelectric thin film, a lower electrode connected to the lower portion of the piezoelectric thin film, a frequency formed at the bottom of the substrate In a frequency separator including a separator body and a fluid contained inside the frequency separator body, when sound waves vibrate the fluid, mechanical vibration of the fluid is transmitted to the substrate, and the piezoelectric thin film connected to the substrate is vibrated up and down. To generate an electrical signal, and the electrical signal is transmitted to the upper electrode and the lower electrode.
본 발명은 상기 주파수 분리기에 있어서, 상기 기판 상부의 상기 압전박막 사이에 위치하며, 주파수 분리 기능을 향상시키는 절연체 라인(line)을 포함하는 주파수 분리기를 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a frequency separator including an insulator line positioned between the piezoelectric thin films on the substrate and improving frequency separation.
본 발명은 상기 주파수 분리기에 있어서, 상기 상부전극 및 하부전극에 연결되며, 상기 전기신호를 청신경에 전달하여 소리를 인지할 수 있도록 하는 삽입 전극채널을 포함하는 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention provides a frequency separator comprising an insertion electrode channel connected to the upper electrode and the lower electrode, the insertion electrode channel for transmitting the electrical signal to the auditory nerve to recognize the sound.
본 발명은 상기 주파수 분리기에 있어서, 상기 상부전극과 하부전극 중 어느 한쪽은 쇼트키(Schottky)접촉을 통해 상기 전기신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention provides a frequency separator, wherein any one of the upper electrode and the lower electrode transfers the electrical signal through a Schottky contact.
본 발명은 상기 주파수 분리기에 있어서, 상기 상부전극은 쇼트키(Schottky) 접촉을 가지며, 상기 하부전극은 오믹(Ohmic) 접촉을 통해 상기 전기신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention provides the frequency separator, wherein the upper electrode has a Schottky contact and the lower electrode transmits the electrical signal through an ohmic contact.
본 발명은 상기 주파수 분리기에 있어서, 상기 나노와이어는 압전 특성을 갖는 ZnO 또는 Ba이 도핑 된 ZnO, ZnMgO, PZT, BaSrTiO3, SrTiO3, BaTiO3, LiSO4, ZnOFe2O3, PZT 중에 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 주파수 분리기를 제공한다.
In the frequency separator, the nanowires are formed of one of ZnO, ZnMgO, PZT, BaSrTiO 3 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , LiSO 4 , ZnOFe 2 O 3 , and PZT doped with ZnO or Ba having piezoelectric properties. It provides a frequency separator characterized in that.
본 발명은 상기 주파수 분리기에 있어서, 상기 기판은 폴리이미드(polyimide), 폴리에스터(polyester), 폴리에스테르이미드(polyetherimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸레나프탈레이트(polyethyleneapthalate), 폴리에테르설폰(polyethersulfone) 중에 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention is the frequency separator, the substrate is polyimide (polyimide), polyester (polyester), polyesterimide (polyetherimide), polycarbonate (polycarbonate), polyethylene ethylene phthalate (polyethyleneapthalate), polyethersulfone (polyethersulfone) Provides a frequency separator, characterized in that formed in one of).
본 발명은 상기 주파수 분리기에 있어서, 상기 주파수 분리기 본체 내에 유체는 와우 내 유체와 유사한 1.5 ~ 2.5 × 10-3 (N s m-2)의 점도 범위와 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention provides the frequency separator, wherein the fluid in the frequency separator body has a viscosity range and function of 1.5 to 2.5 × 10 -3 (N sm -2 ) similar to the fluid in the cochlear implant. .
본 발명은 외부의 음향을 신경 신호로 처리할 마이크로폰, 음성처리기 및 송?수신 장치가 필요 없고, 내?외장 배터리 전원이 따로 필요 없으며, 완전 체내 이식이 가능하여 감각 신경계의 청력을 손실한 사람들에게 소리 감지 능력을 제공할 수 있는 인공와우용 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention does not require a microphone, a voice processor and a transmitter / receiver to treat external sound as a neural signal, and does not require an internal / external battery power source and can be transplanted completely to those who have lost hearing of the sensory nervous system. It provides a cochlear frequency separator that can provide sound detection capability.
도 1은 현재 사용되는 인공와우(cochlea implant) 시스템.
도 2는 음파가 뇌까지 전달해 가는 경로와 달팽이관 내부에 있는 기저막을 펼쳐, 음파에 반응하는 기저막를 설명하는 도면.
도 3은 인공와우 내부에 삽입되어 있는 전극의 모습을 설명하는 도면.
도 4a는 압전박막을 포함하는 주파수 분리기의 모습.
도 4b는 도4a의 A-A' 단면도 중에서 주파수 분리기 본체를 제외한 단면을 옆에서 본 도면.
도 4c는 도4a의 A-A' 단면도 중에서 인공기저막 위에 전극과 주파수 분리를 원활히 하기 위한 절연체 라인을 옆에서 본 도면.
도 4d는 도4a의 A-A' 단면도 중에서 음파가 주파수 분리기 본체 내부에 유체를 진동시키는 모습을 옆에서 본 도면.
도 4e는 도4a의 A-A' 단면도 중에서 주파수 분리기 본체 내부에 유체가 주입된 후 밀봉(encapsulation) 처리된 단면을 옆에서 본 도면.
도 5a는 압전박막의 변형에 의한 전기신호를 측정하기 하기 위한 상태를 설명하는 도면.
도 5b은 유체가 위쪽으로 진동했을 때 발생되는 전기신호를 설명하는 도면.
도 5c는 유체가 아래쪽으로 진동했을 때 발생되는 전기신호를 설명하는 도면.
도 6은 인공기저막 위의 압전박막에서 발생된 전기신호를 와우 내의 전극 채널에 전달되는 것을 보여주는 도면.1 is a cochlea implant system currently in use.
FIG. 2 is a diagram illustrating a path through which sound waves are delivered to the brain and a base membrane inside the cochlea and reacting with the sound waves.
3 is a view for explaining the appearance of the electrode inserted into the cochlear implant.
4A is a view of a frequency separator including a piezoelectric thin film.
FIG. 4B is a side view of the cross-sectional view of the AA 'section of FIG. 4A excluding the frequency separator body;
Figure 4c is a side view of the insulator line for smoothly separating the electrode and the frequency on the artificial base film in AA 'cross-sectional view of Figure 4a.
Figure 4d is a side view of the sound wave vibrating fluid inside the frequency separator body of the AA 'cross-sectional view of Figure 4a.
FIG. 4E is a side view of an encapsulation cross section after fluid is injected into the frequency separator body in the AA ′ cross section of FIG. 4A; FIG.
5A is a view for explaining a state for measuring an electrical signal caused by deformation of the piezoelectric thin film.
5B is a diagram for explaining an electrical signal generated when the fluid vibrates upward.
5C is a diagram illustrating an electrical signal generated when the fluid vibrates downward.
Figure 6 shows that the electrical signal generated in the piezoelectric thin film on the artificial base film is transmitted to the electrode channel in the cochlea.
본 발명은 별도의 전원이 필요 없고, 구조가 간단한 인공와우를 제작하기 위하여 특정 음의 주파수에 진동하는 귓속 와우 내의 기저막의 특성을 모사한 주파수 분별 능력을 가진 주파수 분리기를 제공한다.
The present invention does not require a separate power source and provides a frequency separator having a frequency discrimination capability that simulates the characteristics of the base membrane in the whistle cochlea oscillating at a specific sound frequency in order to produce a simple cochlear implant.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전박막(114)을 포함하는 주파수 분리기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 실시예에 의한 주파수 분리기는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 설명의 편의를 위해 과장되게 도시된 것이다.
Hereinafter, a frequency separator including a piezoelectric
도 4a는 본 실시예에 의한 주파수 분리기는 주파수 분리기 본체(112), 음파가 유입되는 음파진동입구(117) 및 유입된 음파가 본체(112) 내부의 유체(120)를 진동시키고 배출되는 공기 배출구(118)를 포함하는 유연한 기판(111), 상기 기판상에 다수의 압전박막(114)과, 압전박막(114)과 쇼트키(Schottky) 접촉을 가지는 상부전극(116), 오믹(Ohmic) 접촉을 가지는 하부전극(115) 및 주파수 분리를 뚜렷이 해주는 주파수 분리 절연체 라인(113)을 포함한다.
Figure 4a is a frequency separator according to the present embodiment is a frequency separator
도 4b는 본 실시예의 다수의 분리된 실로폰 형태의 압전박막(114), 상부전극(116) 및 하부전극(115)의 구조를 확대하여 측면에서 본 단면도이다.
4B is an enlarged cross-sectional view of the structure of the plurality of separated xylophone-type piezoelectric
본 발명의 유연한 기판(111)은 유입되는 음파를 진동으로 바꿔 압전박막(114)에 전달하기 위하여 다음의 재질에 한정되는 것은 아니나 폴리이미드(polyimide), 폴리에스터(polyester), 폴리에스테르이미드(polyetherimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸레나프탈레이트(polyethyleneapthalate), 폴리에테르설폰(polyethersulfone) 등을 사용할 수 있다.
The
본 실시예의 압전박막(114)의 증착은 졸-겔법과 같은 화학적 증착방법 또는 금속 타겟(target)을 이용한 RF 스퍼터링(Sputtering), 금속 메탈(Metal)을 원료로 사용하는 열증발법(Thermal Evaporation) 및 전자빔 증발법(Electron Beam Evaporation)과 같은 물리적 증착방법을 사용한다.
The deposition of the piezoelectric
본 발명의 압전박막(114) 소재는 다음에 구속되는 것은 아니지만 ZnO, 금속원소(Li, Na, K, Be, Mg, Ca, Sb, Ba, Ti, Al, In, Ni, Co, Cu, Ag, Au, Pd 등)가 도핑된 ZnO계, PZT(PbZrTiO계), PTO(PbTiO계), BTO(BiTiO계), BLT(BiLaTiO계), SBT(SrBiTaO계), BNT(BiNaTiO계), LNO(LiNbO계), BSTO(BaSrTiO3계), PVDF 등의 압전 재료 중 하나를 사용할 수 있다..
Although the material of the piezoelectric
상기 압전박막(114)는 외부에서 가해진 힘에 의해 편극 현상을 발생시켜 서로 반대되는 표면에 양, 음의 전하를 유도하여 압전 박막(114) 표면에 전기적 압전 전위를 발생시킨다. 상기 압전 전위는 상부전극(115) 및 하부전극(116)에 의해 전류/전압 측정 장치(122, 123)에 의해 전기 펄스(pulse) 신호로 검출한다.이때 발생한 전기신호는 상부전극(116) 및 하부전극(115)과 연결된 전극 신호라인(119)을 통하여 달팽이관의 삽입형 전극에 전달되고, 청신경을 자극하여 뇌간에 정보를 전달하게 된다.
The piezoelectric
상기 압전박막(114)의 개수, 길이(L), 폭(W)을 달리 적용하여 발생하는 압전전류가 다른 값을 가지도록 설계하여 인공와우의 특성을 모사할 수 있다. 본 발명의 실로폰 형태를 갖는 압전박막(114) 어레이 라인의 개수, 길이(L), 폭(W)은 설계값에 따른 실험을 통하여 주파수 분리에 가장 적합한 값을 결정하여 이에 따라 제조하는 것이 바람직하다.
The piezoelectric current generated by applying different numbers, lengths (L), and widths (W) of the piezoelectric
본 발명의 전극 접촉방식은 두 전극 모두 오믹(Ohmic) 접촉인 경우와 두 전극 중 한 전극은 오믹(Ohmic) 접촉을 가지며 나머지 한 전극은 쇼트키(Schottky) 접촉을 가지는 두 가지 유형을 가질 수 있다. 본 실시예의 상부전극(115)은 쇼트키(Schottky) 접촉 전극이고, 하부전극(116)은 오믹(Ohmic) 접촉 전극으로 구성할 수 있다. 상기 상부전극(115)과 하부전극(116)은 압전박막(114)의 상부 및 하부에 각각 접촉되는, MPM(Metal Piezoelectric-film Metal) 구조를 가지며 전기적으로 폐루프(close loop)를 형성하여 인공기저막에 의한 기계적 진동을 압전 박막(114)에서 발생된 전기적 신호로 회수하게 된다. 이러한 구조를 통해 비정류 특성을 가진 오믹(Ohmic)과 정류 특성을 가진 쇼트키(Schottky) 접촉을 사용하여 응답 특성이 우수한 전류/전압 전기신호를 압전 박막(114)에서 얻을 수 있다. 쇼트키 상부전극(116)과 오믹 하부전극(115)의 접촉방식은 상술한 바와 반대로 구성될 수 있고, 상기의 경우와 반대 방향의 신호가 검출되게 된다.
In the electrode contact method of the present invention, both electrodes may be of ohmic contact, one of the two electrodes may have ohmic contact, and the other electrode may have two types of schottky contacts. . The
상기 상부전극(115)은 쇼트키(Schottky) 접촉으로서 다음의 재료에 한정되는 것은 아니나 티타늄(Ti), 백금(Pt), 백금/금(Pt/Au), 텅스텐/백금/금(W/Pt/Au), 팔라듐(Pd), 금(Au), 니켈(Ni), 루테늄(Ru) 등을 적절히 조합하여 사용될 수 있다.
The
상기 하부전극(116)은 오믹(Ohmic) 접촉 전극으로서 다음의 재료에 한정되는 것은 아니나 은(Ag), 티타늄/금(Ti/Au), 티타늄/알루미늄(Ti/Al), 티타늄/알루미늄/백금/금(Ti/Al/Pt/Au), 알루미늄/백금(Al/Pt), 알루미늄/백금/금(Al/Pt/Au), 백금/갈륨(Pt/Ga), 인듐(In), 인듐/금(In/Au), 레늄/티타늄/금(Re/Ti/Au), 주석(Sn), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al) 등이 사용될 수 있다.
The
도 4d는 음파가 주파수 분리기 본체(112)내의 유체(120)를 진동시키는 모습을 설명하는 단면이다. 상기 본체(112) 위 음파진동입구(117)에 유입된 음파는 본체(112)내 유체(120)를 진동시키고 공기 배출구(118)에 의해 배출되며, 유연한 기판(111)으로 형성된 인공기저막은 외부음파에 대해서 매우 국지적인 지역에서 특정 주파수에 반응하는 동조 특성에 의해 특정 부분의 유연한 기판(111)이 상하로 진동하게 되고, 이는 압전박막(114)을 변형하여 특정 주파수에 해당하는 전기신호를 발생시킨다. 이 특정 전기신호는 신호라인(119)을 따라 달팽이관 내의 전극 채널에 전달되어 청신경을 통해 뇌에 전달되어 소리를 인지하게 된다.
4D is a cross-sectional view illustrating how the sound wave vibrates the fluid 120 in the
상기 본체(112)내의 유체(120)는 입력된 음파의 진동을 잘 전달할 수 있는 와우 내의 유체(120)와 점도 및 기능이 유사한 물질로서, 1.5 ~ 2.5 × 10-3(N s m-2)의 점도 범위를 가지면 적당하고, 일 예로서 실리콘 오일(silicon oil) 등을 포함하는 오일류 등이 사용될 수 있다.
The fluid 120 in the
본 실시예는 외부 음파에 의한 유체 진동을 매우 제한적인 지역으로 제한시켜 주파수 분리를 유도하기 위하여, 각각의 압전박막(114) 사이에 위치한 주파수 분리 절연체 라인(113)을 포함한다. 상기 절연체 라인(113)은 이에 한정되는 것은 아니나 SiO2, Si3N4, CN 등으로 형성될 수 있다. 본 발명의 절연체 라인(113)의 길이(L), 폭(W), 두께(H)는 실험을 통하여 주파수 분리에 가장 적합한 값을 결정하여 이에 따라 제조하는 것이 바람직하다.
This embodiment includes a frequency
도 4e는 주파수 분리기 본체(112) 내에 유체(120)가 주입된 후 밀봉(encapsulation) 처리된 단면을 설명하는 도면이다. 이때 사용되는 밀봉 구조체(121)의 재료는 단단한 물질이라면 어느 것도 사용가능하다. 이에 발명의 범위가 한정되는 것은 아니나, 석영(quartz), 내열성/내구성이 있는 유리인 파이렉스 유리(Pyrex glass) 등을 이용하고, 상기 재료와 주파수 분리기 본체(112)와의 결합은 실리콘(silicone) 일라스토머(elastomer) 또는 폴리에스터(polyester) 강화된 실리콘 일라스토머 등을 사용하여 밀봉시키는 것이 바람직하다.
4E is a diagram illustrating a cross section encapsulated after the fluid 120 is injected into the
도 5a는 수평 성장된 압전박막(114)의 변형에 의해 발생한 전기신호를 측정하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다. 상부전극(116) 및 하부전극(115) 위에 전류 측정장치(122) 및 전압 측정장치(123)를 연결하여 하나의 폐 회로를 구성하고, 수평 성장된 압전박막(114)의 변형에 의한 압전 전류/전압 신호를 측정한다.
5A is a diagram for describing a structure for measuring an electric signal generated by deformation of the horizontally grown piezoelectric
도 5b는 유체(120)가 위쪽으로 진동했을 때 발생하는 전기신호를 설명하는 도면이다. 유체(120)가 위쪽으로 진동하게 되면 유연 기판(111)은 위쪽으로 휘어지게 되며, 유연기판(111)에 대해 수직 방향으로 압전박막(114) 안에 전기 쌍극자(dipole)들이 발생한다. 상기 유체 진동에 의해, MPM(Metal Piezoelectric-film Metal) 구조가 인장 스트레스(tensile stress)를 받아 압전박막(114) 위쪽 표면에는 플러스(+) 전하가 형성되고, 압전박막(114) 아래쪽 표면은 마이너스(-) 전하가 형성된다. 생성된 전하들은 쇼트키(Schottky) 접촉을 통하여 전류 측정장치(122)에 의해 전류 펄스(pulse) 신호로 검출되고, 전압 측정장치(123)에 의해 출력 전압으로 검출된다. 생성된 전기신호 중 전류신호만을 사용하게 되며, 이렇게 발생한 전류신호는 달팽이관 전극 채널로 전달된다.
5B is a diagram illustrating an electrical signal generated when the fluid 120 vibrates upward. When the fluid 120 vibrates upward, the
도 5c는 유체(120)가 아래쪽으로 진동했을 때 발생하는 전기신호를 설명하는 도면이다. 유체(120)가 아래쪽으로 진동하게 되면 유연기판(111)은 아래쪽으로 휘어지게 되며, 유연기판(111)에 대해 수직 방향으로 압전박막(114) 안에 전기 쌍극자(dipole)들이 발생한다. 상기 유체 진동에 의해, MPM(Metal Piezoelectric-film Metal) 구조가 압축 스트레스(compressive stress)를 받아 압전박막(114) 아래쪽 표면에는 플러스(+) 전하가 형성되고, 압전박막(114) 위쪽 표면은 마이너스(-) 전하가 형성된다. 생성된 전하들은 쇼트키(Schottky) 접촉을 통하여 전류 측정장치(122)에 의해 전류 펄스(pulse) 신호로 검출되고, 전압 측정장치(123)에 의해 출력 전압으로 검출된다. 생성된 전기신호 중 전류신호만을 사용하게 되며, 이렇게 발생한 전류신호는 달팽이관 전극 채널로 전달된다.
5C is a diagram illustrating an electrical signal generated when the fluid 120 vibrates downward. When the fluid 120 vibrates downward, the
도 6은 압전박막(114)에서 발생한 전류신호가 전극 신호라인(119)을 통해 커넥터(125)로 전달되고 이 신호가 달팽이관 삽입전극(127)을 통해 청신경자극전극(128)으로 전달되는 것을 보여주는 도면이다.
FIG. 6 shows that the current signal generated in the piezoelectric
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. The present invention is not limited to the drawings.
111: 기판
112: 주파수 분리기 본체
113: 주파수 분리 절연체 라인
114: 압전박막
115: 상부전극
116: 하부전극
117: 음파진동입구
118: 공기 배출구
119: 전극 신호라인
120: 유체
121: 밀봉 구조체
122: 전류 측정 장치
123: 전압 측정 장치
125: 커넥터
126: 채널연결장치
127: 달팽이관 삽입전극
128: 청신경자극전극111: substrate
112: frequency separator body
113: frequency isolation insulator line
114: piezoelectric thin film
115: upper electrode
116: lower electrode
117: sound wave vibration inlet
118: air outlet
119: electrode signal line
120: fluid
121: sealing structure
122: current measuring device
123: voltage measuring device
125: connector
126: channel connecting device
127: cochlear insertion electrode
128: auditory nerve stimulation electrode
Claims (8)
상기 기판 위에 형성된 다수의 압전박막;
상기 압전박막의 상부에 연결된 상부전극;
상기 압전박막의 하부에 연결된 하부전극;
상기 기판의 하부에 형성되는 주파수 분리기 본체; 및
상기 주파수 분리기 본체 내부에 포함된 유체를 포함하는 주파수 분리기에 있어서,
음파가 상기 유체를 진동시키면 상기 유체의 기계적 진동이 상기 기판에 전달되고, 상기 기판에 연결된 상기 압전박막을 상하로 진동시켜 전기신호를 발생시고, 상기 전기신호가 상기 상부전극 및 하부전극에 전달되는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기.
Flexible substrates;
A plurality of piezoelectric thin films formed on the substrate;
An upper electrode connected to an upper portion of the piezoelectric thin film;
A lower electrode connected to a lower portion of the piezoelectric thin film;
A frequency separator body formed under the substrate; And
In the frequency separator comprising a fluid contained in the frequency separator body,
When sound waves vibrate the fluid, mechanical vibration of the fluid is transmitted to the substrate, and the piezoelectric thin film connected to the substrate is vibrated up and down to generate an electrical signal, and the electrical signal is transmitted to the upper electrode and the lower electrode. Frequency separator, characterized in that.
상기 기판 상부의 상기 압전박막 사이에 위치하며, 주파수 분리 기능을 향상시키는 절연체 라인(line)을 포함하는 주파수 분리기.
The method of claim 1,
And an insulator line positioned between the piezoelectric thin film on the substrate and improving frequency separation function.
상기 상부전극 및 하부전극에 연결되며, 상기 전기신호를 청신경에 전달하여 소리를 인지할 수 있도록 하는 삽입 전극채널을 포함하는 주파수 분리기.
The method of claim 1,
And an insertion electrode channel connected to the upper electrode and the lower electrode, the insertion electrode channel transmitting the electrical signal to the auditory nerve to recognize the sound.
상기 상부전극과 하부전극 중 어느 한쪽은 쇼트키(Schottky)접촉을 통해 상기 전기신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
One of the upper electrode and the lower electrode is a frequency separator, characterized in that for transmitting the electrical signal through a Schottky (Schottky) contact.
상기 상부전극은 쇼트키(Schottky) 접촉을 가지며, 상기 하부전극은 오믹(Ohmic) 접촉을 통해 상기 전기신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
And the upper electrode has a Schottky contact, and the lower electrode transmits the electrical signal through an ohmic contact.
상기 나노와이어는 압전 특성을 갖는 ZnO 또는 Ba이 도핑 된 ZnO, ZnMgO, PZT, BaSrTiO3, SrTiO3, BaTiO3, LiSO4, ZnOFe2O3, PZT 중에 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 주파수 분리기.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The nanowires are formed of one of ZnO, ZnMgO, PZT, BaSrTiO 3 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , LiSO 4 , ZnOFe 2 O 3 , PZT doped with ZnO or piezoelectric properties.
상기 기판은 폴리이미드(polyimide), 폴리에스테르이미드(polyetherimide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스터(polyester), 폴리에틸레나프탈레이트(polyethyleneapthalate), 폴리에테르설폰(polyethersulfone) 중에 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 주파수 분리기.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The substrate is characterized in that formed of one of polyimide (polyimide), polyesterimide (polyetherimide), polycarbonate, polyester (polyester), polyethylene ethylene phthalate (polyethyleneapthalate), polyethersulfone (polyethersulfone) Separator.
상기 주파수 분리기 본체 내에 유체는 1.5 ~ 2.5 × 10-3 (N s m-2)의 점도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 주파수 분리기.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The fluid in the frequency separator body has a viscosity range of 1.5 to 2.5 × 10 -3 (N sm -2 ).
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