필름 마찰 전기 나노 발생기를 기반으로 한 주파수 선택성을 위한 생체 와우 뇌저막 음향 센서 설계

초록

감각신경성 난청은 신생아부터 노인에 이르기까지 모든 연령대에서 발생할 수 있는 만성적이고 정신적인 압박과 장애 때문에 가장 고통받는 질병 목록의 1위를 차지합니다. 기존 인공 와우 임플란트의 뒤떨어진 기술 설계와 외부 전력 의존성은 환자를 힘들게 하고 더 넓은 실제 적용을 제한하여 연구자로 하여금 근본적인 개선을 찾도록 합니다. 이 논문에서 우리는 마찰 전기 나노 발전기와 결합된 새로운 생체 ​​공학 와우 기저막 음향 센서를 성공적으로 제안했습니다. 2개의 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인에 9개의 은 전극을 사다리꼴로 배포함으로써 이 장치에서 20~3000Hz 범위의 고주파 선택 기능이 충족되었습니다. 이것은 달팽이관의 실제 기저막을 참조하여 전극 수의 증가에 따라 더 식별 가능하다고 믿어집니다. 게다가, 완성된 장치는 소리에 의해 전달되는 진동 에너지의 흡수를 통해 자체적으로 동력을 얻을 수 있으며, 이는 잠재적인 사용자를 엄청나게 용이하게 합니다. 결과적으로 정교한 생체 공학 시스템은 감각신경성 난청 문제를 해결하는 혁신적인 관점을 제공합니다.

배경

전 세계적으로 나이, 암, 결핵, 소음, 약물 남용, 신체적 외상 등 다양한 원인으로 인해 청각 장애로 고통받는 사람들이 많이 있습니다[1,2,3,4]. 가장 심각하고 전형적인 청력장애의 하나로 감각신경성 난청은 달팽이관 속 코르티 기관의 유모세포가 손상되거나 소실되어 청력의 주파수 판별 장애를 일으키는 경우가 많다[5,6]. ,7]. 달팽이관의 가장 중요한 기능은 들어오는 음파를 주파수별로 분리하고 소리에 의한 진동의 다른 주파수를 전기로 변환하여 청각 신경을 자극하는 것입니다[8, 9]. 특수 필름인 기저막은 주파수 선택성에 중요한 역할을 합니다. 감각신경성 난청으로 고통받는 대부분의 환자들은 달팽이관에 삽입된 전기배열을 통해 음향을 전기로 변환하여 청각신경을 자극하는 인공와우를 선택합니다[10, 11]. 그러나 이러한 달팽이관 임플란트는 환자의 머리에 많은 추가 장비가 위치하여 환자가 매우 불편함을 느끼게 되며, 이로 인해 환자가 수면을 취하거나 소비할 때 많은 불편을 겪게 됩니다. 다른 한편으로, 그들은 또한 모든 시스템에 전기 에너지를 제공하기 위한 주변 장치가 필요합니다[12]. 이러한 단점을 극복하기 위해 전 세계적으로 많은 연구자들이 자체 동력 물품 및 완전 자급식 이식형 인공 와우를 제작하는 데 주력해 왔습니다.

달팽이관과 같은 주파수 선택성의 기능을 실현하기 위해 일부 마이크로 나노 구조 장치가 보고되었습니다. Juichi Ito 및 Kon Jae Lee et al. 압전 재료를 기반으로 주파수 선택 기능을 달성할 수 있는 제작된 음향 센서[13,14,15]. 그러나 이러한 장치의 전압 출력은 압전기의 낮은 전압 응답으로 인해 수 마이크로볼트에서 약 100μV 범위로 비교적 낮습니다. 한편, H Shintaku et al. audile와 비교할 때 더 높은 주파수에서만 주파수를 실현할 수 있는 마이크로빔 어레이로 제작된 음향 센서를 시연합니다[16]. 그러나 이러한 모든 설계에는 장치의 복잡한 제조 절차, 낮은 전력 출력 및 주파수 선택과 같은 몇 가지 눈에 띄는 약점이 있습니다.

새롭게 부상하는 기술 분야로 TENG(triboelectric nanogenerator)는 이러한 모든 문제를 해결하는 이상적인 방법이 됩니다[17,18,19]. 대전과 정전기 유도의 결합을 기반으로 복잡한 제조 공정을 피하면서 더 적은 비용과 간단한 구조로 놀라운 전기 출력을 쉽게 얻을 수 있습니다. 이러한 다루기 쉬운 메커니즘/디자인은 다양한 종류의 기계적 에너지를 쉽게 제거할 수 있는 많은 구조를 유도했으며 자체 전원 장치는 더 이상 꿈이 아닙니다[20,21,22,23]. 자세히 설명하자면, TENG는 본질적으로 기류의 진동에 훨씬 더 적합하고 이에 관한 일련의 연구를 장려하는 마이크로 또는 나노 크기의 기계적-전기적 에너지 변환을 위해 개발되었습니다[24, 25]. 예를 들어, 음향 에너지를 미묘하게 흡수함으로써 Yang et al. 자체 전원 TENG 기반 마이크를 사용하여 보컬 프린트를 생생하게 녹음했습니다[26]. 이러한 장치는 기계적 주파수의 변화에 ​​매우 민감하여 차세대 주파수 선택 구성 요소의 발전을 일깨워줍니다.

이 논문에서 우리는 주파수 선택성과 음향 에너지의 전기 에너지 변환을 모두 실현하는 일종의 음향 장치를 시연합니다. 우리의 장치는 아크릴 판에 위치한 사다리꼴 슬릿에 고정된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인 두 조각으로 구성되며, 슬릿 위의 PTFE 멤브레인이 센서로 작동합니다. 폴리테트라플루오로에틸렌막(PM)의 기능은 천연기저막의 기능에 해당하며, 들어오는 음파의 주파수에 따라 국부적으로 다른 곳에서 발생하는 PM의 진동을 통해 성공적으로 확인되었다.

방법/실험

그림 1은 와우의 기저막을 설명하는 개략도를 보여줍니다. 기저막은 수동 청력에서 중요한 역할을 합니다[27]. 그 모양은 나선형으로 꼬이고 얇은 막으로 덮인 사다리꼴 프레임과 비슷합니다. 기하학적 특징 때문에 기저막은 들어오는 음파에 포함된 주파수 성분을 기계적으로 분리할 수 있습니다. 기저막의 정점 영역은 높은 음파에 반응하고 기저 영역은 저주파 소리에만 반응합니다. 기저막의 특정 위치가 공명 주파수 음파에 의해 진동되면 막에 있는 유모 세포가 이온 채널을 열거나 닫아 전위를 생성합니다[28].

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달팽이관과 기저막의 개념적 개략도. 기저막은 나선형의 얇은 막으로 정점에서 기저부로 갈수록 폭이 점차 좁아집니다.

멤브레인 음향 센서의 명칭은 그림 2에 나와 있습니다. 이 장치는 주로 두 개의 PTFE 멤브레인 층, 한 조각의 Kapton 폴리이미드 필름과 사다리꼴 슬릿이 있는 두 조각의 아크릴 판으로 구성됩니다. 아크릴판은 길이 120mm, 너비 60mm, 두께 4mm의 직사각형 판입니다. 사다리꼴 슬릿은 아크릴판의 중앙에 위치하며 기준선과 탑라인의 길이는 각각 30mm와 10mm, 높이는 100mm입니다. PTFE 멤브레인은 두께가 20μm에 불과하다는 점을 제외하고 길이와 너비가 아크릴판과 유사합니다. 사다리꼴 모양은 국소 공명 주파수가 정상에서 기저선으로 점진적으로 변화하는 달팽이관 기저막에서 영감을 받았습니다[29, 30]. 은 증착으로 만들어진 9개의 요소로 구성된 전극 어레이는 Magnetism Sputter System을 기반으로 PTFE 멤브레인의 상부면에 제작됩니다. 약 200nm 두께의 전극은 PTFE(40μm)보다 극도로 얇기 때문에 PTFE의 진동 특성에 영향을 미치지 않습니다. 편의상 그림 2b와 같이 사다리꼴 멤브레인의 아래에서 위로 전극을 각각 #1~#9로 명명합니다. 각 전극의 크기는 4*8mm ² 입니다. 직사각형 모양이고 인접한 두 전극 사이의 면내 거리는 10mm입니다. 아크릴 판과 같은 크기의 Kapton 경질 필름이 두 개의 PTFE 멤브레인 사이에 위치합니다. Kapton 멤브레인의 두께는 음압 감지 한계를 결정합니다. Kapton 필름의 역할은 PTFE 멤브레인의 두 층 사이에 좁은 간격을 만드는 것입니다. Kapton 필름과 PTFE 멤브레인은 접착 접착제가 있는 사다리꼴 슬릿이 있는 두 개의 아크릴 판 중간에 변형 없이 덮였습니다. PM의 진동은 100~3000Hz 범위의 다양한 주파수에서 레이저 도플러 진동계 측정 시스템(LDV)과 소음 수준 분석기를 사용하여 측정됩니다. 전기 신호 출력은 전치 증폭기를 사용하여 전극을 통해 측정됩니다.

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생체막 센서의 구조 설계. 아 주파수 선택성을 위한 장치의 주요 구성 요소의 3D 보기. 그들은 함께 붙어 있으며 사다리꼴 슬릿으로 둘러싸인 신축성있는 PTFE 멤브레인 만 소리 자극 아래에서 자유롭게 진동 할 수 있습니다. ㄴ 센서의 평면도입니다. 은 증착으로 만들어진 전극은 전극 #1에서 #9까지 번호가 매겨집니다.

결과 및 토론

우리는 먼저 PTFE 멤브레인의 진동 진폭 진폭과 LDV 및 오실로스코프에 의한 마찰 전기 전압 출력에 대한 음압의 영향을 조사했습니다. 그림 3은 PTFE 멤브레인의 외부 음압과 진동 진폭 간의 관계를 보여줍니다. 여기서 #2, #5, #8로 번호가 매겨진 전극에서 신호를 선택합니다. 음압은 기기에서 100mm 떨어진 곳에 작은 각도로 기울어진 정현파 음파를 방출할 수 있는 스피커에 의해 제공됩니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 각 전극의 진동 진폭은 음압이 증가함에 따라 선형적으로 증가합니다. 또한 전극 수가 증가하면 진폭이 증가합니다. 그림 3b는 음압과 마찰전기 전압 출력의 진폭 사이의 관계를 보여줍니다. 마찰 전기 출력의 진폭은 또한 음압과 선형 관계를 보여줍니다. 이러한 결과는 멤브레인 음향 센서가 마찰전기 나노발전기의 전압을 조사하여 음파의 크기를 감지할 수 있음을 증명합니다.

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진폭 a에 대한 음압의 영향에 대한 실험 결과 진동 및 b 마찰 전기 전압 출력. 분명히 진폭과 음압 사이의 일종의 선형 관계입니다.

다음으로 주파수 선택성이 있는 멤브레인 음향 센서의 튜닝 기능을 조사했습니다. 그림 4a–c는 진동의 주파수 의존성과 #2, #5, #8 전극에서의 마찰전기 전압 출력을 각각 보여줍니다. 검은색 선은 진동의 진폭을 나타내고 마찰전기 전압의 출력은 빨간색 선으로 표시됩니다. 결과는 각 전극이 상대적으로 큰 출력을 갖는 특정 주파수를 갖는다는 것을 보여줍니다. PTFE의 국부 공진 주파수가 들어오는 소리의 공진 주파수와 일치하는 국부 영역은 큰 진폭으로 진동하여 진동의 피크가 발생합니다. 전극 #8의 전압 출력 피크는 104mV이며, 이는 1850Hz에서 진동 피크가 있는 PTFE 멤브레인의 로컬 영역에 해당합니다. 유사하게, 진동 진폭이 200 및 1030Hz인 국부 영역은 각각 전극 #2 및 #5의 마찰 전기 전압 출력의 피크에 해당합니다. 게다가 진동의 주파수 의존성은 마찰전압 출력과 질적으로 유사하다.

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a의 마찰전압 출력 신호 및 진동 진폭 연구 결과 전극 #2, b 전극 #5 및 c 20~3000Hz 범위의 주파수에서 LDV 시스템과 오실로스코프를 사용하여 측정한 #8 전극과 진동 변위의 분포와 마찰전기 전압 출력 신호가 주파수 대역폭 전체에서 밀접하게 중첩되었습니다. d PTFE 멤브레인의 전극 수와 국부 공진 주파수의 관계에 대한 실험 결과

그림 4d는 국부 공진 주파수와 전극 수의 관계를 보여줍니다. 전극의 수는 사다리꼴 슬릿의 바닥으로부터의 거리를 나타냅니다. 분명히, 소리 주파수가 증가함에 따라 진동의 피크는 달팽이관의 실제 기저막의 베이스 영역에 해당하는 더 큰 전극 수로 이동하는 경향이 있습니다.

앞서 설명한 바와 같이 멤브레인 음향 센서는 와우 기저막을 모방하며 작동 원리는 멤브레인 음향 진동과 진동 유발 전기 생성의 두 부분으로 설명할 수 있습니다. 한편, PTFE 기저막의 음향 진동 패턴은 20 ~ 3000Hz(인간의 가청 주파수의 일부) 범위의 다양한 주파수에서 외부 음압에 반응하는 것으로 그림 4에서 볼 수 있듯이 COMSOL Multiphysics에 의해 에뮬레이트되었습니다. 5 [31]. 시뮬레이션 결과로부터 PTFE 멤브레인의 진폭 분포가 음향 주파수에 대한 의존성을 명확하게 보여주고 있음을 알 수 있습니다. PTFE 멤브레인이 국부적으로 공진하는 진폭이 최대인 곳은 주파수가 증가함에 따라 사다리꼴 영역의 기저선에서 상단선으로 이동하여 실험 결과에 잘 맞습니다.

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Comsol 소프트웨어는 a의 주파수에서 단일 PTFE 멤브레인의 진동 특성을 자극하기 위해 사용되었습니다. 300Hz, b 1000Hz, c 2000Hz

한편, PTFE 막 유도 발전의 음향 진동은 그림 6과 같이 접촉 대전과 정전기의 결합에 기인한다[32]. 멤브레인 음향 센서를 적용하지 않을 때 전압 신호는 없다. 소리로(그림 6a). 외부 음압이 상부 PTFE 멤브레인을 하부 PTFE 멤브레인의 은 증착과 접촉하게 하면(그림 6b), PTFE는 은 층에서 전자를 잡아서 음의 마찰 전하가 정전기로 인해 반대 상대와 균형을 이루게 합니다. 유도 [19]. 결과적으로 두 레이어 사이에 또는 상부 멤브레인의 전자와 접지 사이에 전위차가 없습니다. 외부 음압이 사라지면 고유한 탄성 때문에 상부 PTFE 기저막이 하부 PTFE 막에서 되돌아옵니다. 2개의 멤브레인 층 사이에 틈이 나타나며(그림 6c), 은 전극과 접지 사이의 관계와 동일한 마찰 전하로 인해 특정 전극의 전위가 양단으로 떨어집니다[33].

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센서의 작동 원리 다이어그램. 아 소리 자극 없이 PTFE가 충전되지 않은 휴지 상태. ㄴ 음압하에서 상부 PTFE 멤브레인이 음으로 대전된 접촉 상태. ㄷ 상부 PTFE 멤브레인과 하부 PTFE 멤브레인이 서로 분리되는 분리 상태는 전위차가 자유 전자를 외부 회로를 통해 접지에서 은 전극으로 흐르게 합니다.

결론

요약하면, 우리는 마찰전기 나노발전기를 기반으로 한 음향/전기 변환을 가진 멤브레인 센서를 사용하여 주파수 선택성의 중요한 영향을 미치는 달팽이관의 기저막 기능을 모방하는 새로운 접근 방식을 보여줍니다. 여러 개의 작은 직사각형 은 전극으로 코팅된 사다리꼴 PTFE 멤브레인은 음향 센서의 주요 구성 요소입니다. 사다리꼴 PTFE 멤브레인의 진동 특성과 전기적 신호 출력은 레이저 도플러 진동계와 오실로스코프를 이용하여 특정 주파수의 음파를 인가하여 측정하였다. 최대 진폭을 갖는 위치는 주파수가 증가함에 따라 사다리꼴 PTFE 멤브레인의 더 좁은 영역으로 이동하였다. 이를 통해 센서는 주파수 선택성의 기능을 실현할 수 있습니다. 또한 COMSOL로 유한 요소 시뮬레이션을 수행하여 사다리꼴 PTFE 멤브레인의 진폭과 들어오는 음파 사이의 관계가 실험 결과에 적합함을 보여주었습니다. 멤브레인 음향 센서는 저렴한 비용으로 감각신경성 난청을 해결하는 새롭고 효과적인 방법을 보여주고 마찰전기 나노발전기에 의한 난청 치료의 대안을 제공합니다.

약어

LDV:

레이저 도플러 진동계 측정 시스템(LDV)

오후:

폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인

PTFE:

폴리테트라플루오로에틸렌

영어:

마찰전기 나노발전기

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