MEMS thin film piezoelectric acoustic transducer for cochlear implant applications
Koklear implant uygulamaları için MEMS ince film piezoelektrik akustik dönüştürücü
- Tez No: 529056
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde, yeni nesil tamamen implante edilebilir koklear implantların geliştirilmesi için kulak zarına yerleştirilecek çoklu-frekans yapılı ince film piezoelektrik akustik sensör konsepti önerilmiştir. Tasarım, her biri günlük akustik bandın içindeki belirli frekanslarda rezonansa giren ince film piezoelektrik tramplen yapılardan oluşmaktadır. Cihaz, doğal işitme mekanizmasının işlevsel parçalarını kullanacak ve piezoelektrik dönüştürücüler tarafından üretilen, kokleadaki işitsel nöronları uyaracak olan sinyali ara-yüz elektronikleri aracılığıyla işitme tüylerinin işlevini taklit edecektir. Sinirlerin uyarılması için yeterli voltajı elde etmekteki temel sınırlamalar: orta kulaktaki sınırlı hacim (<0.1 cm3), kütle toleransı (<25 mg), kulak zarının alanı (9 mm × 10 mm) ve akustik bandın (250-5000 Hz) yeterli sayıda kanal ile kapsanmasıdır. Bu doğrultuda, koklear implantların temel engellerini aşmak üzere hacim, kütle, alan ve uyarı sinyali kısıtlamaları düşünülerek, çoklu frekans yapılı ince film piezoelektrik akustik sensörün modellemesi, tasarımı ve optimizasyonu ortaya koyulmuştur. Akustik algılamadaki üstün ferroelektrik ve piezoelektrik özelliklerinden ötürü diğer ince filmli piezoelektrik alternatifleri arasından Darbeli Lazer Depozit (PLD) Kurşun Zirkonat Titanat (PZT) tercih edilmiştir. Önerilen yapının elverişliliğini göstermek amacıyla tek-tramplen yapılı ince film PLD-PZT dönüştürücü üretilmiştir. Üretilen cihaz, esnek bir parilen taşıyıcı üzerine yerleştirilmiş ve kulak zarının çalışmasını taklit eden parilen bir zar üzerine yapıştırılmıştır. Mekanik, elektrik ve akustik özellikler standart bir sarsıntı masası ve daha gelişmiş bir akustik düzenek ile ilk kez karakterize edilmiştir. Çıkış voltajı osiloskop ile ölçülürken ince zar üzerine bağlanan sensörün ivme özelliği, bir Lazer Doppler Titreşimölçer (LDV) kullanılarak elde edilmiştir. Tek kanallı cihaz 110 dB Ses Basıncı Seviyesi (SPL) ile 1325 Hz frekansında uyarıldığında 114 mV büyüklüğünde bir maksimum voltaj çıkışı elde edilmiştir. Analiz sonuçları göstermektedir ki cihazın voltaj çıktısı sinirsel uyarma devresi için gereken minimum duyma voltajını (100 µV) fazlasıyla aşmıştır. Üretilen tek kanallı prototip analiz sonuçları ile %92 oranında uyum gösteren sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiştir. Bu modele dayanarak bir çoklu-frekans yapılı ince film piezoelektrik akustik sensör tasarlanmıştır. Dönüştürücülerin toplam hacmi, kapladığı alan ve kütlesi sırasıyla 5 × 5 × 0.2 mm3, 5 × 5 mm2 ve 12.2 mg'dır. Tasarlanan çoklu prototip üretilip karakterize edilmiştir. Elektromekanik özellikler bir bir sarsıntı masası ve LCR metre ile ölçülmüştür. Test sonuçları göstermektedir ki üretilen cihaz her biri günlük akustik bandın (500 Hz – 2600 Hz) içindeki belirli frekanslarda rezonansa giren çoklu film piezoelektrik tramplen yapıdan oluşmaktadır. Sonuç olarak cihaz mekanik filtreleme gerçekleştirmekte ve kokleanın görevini taklit ederek net bir frekans seçilimi göstermektedir. Deneysel sonuçlara göre cihazın voltaj çıkışı, nöral uyarım devresi için gerekli minimum duyma voltajını aşmakta ve okuma devresi için gerekli gücü azaltmaktadır. Tez kapsamında üretilen cihaz FICI uygulamalarının, hacim, kütle, alan ve işitme bandında uyarım sinyali olarak özetlenebilecek, tüm gereklerini literatürde ilk kez karşılamıştır. Çığır açan doğasıyla geleneksel koklear implantların çalışma prensibine köklü bir değişim getirdiği için yeni nesil FICI olarak anılabilir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a multi-frequency thin film piezoelectric acoustic sensor concept to be placed on the eardrum has been proposed for the development of next generation and fully implantable cochlear implants (FICIs). The design consists of several thin film piezoelectric cantilever beams, each of which resonates at a specific frequency within the daily acoustic band. The device will exploit the functional parts of the natural hearing mechanism and mimic the function of the hair cells in the cochlea, where the signal generated by the piezoelectric transducers will be processed by interface electronics to stimulate the auditory neurons. The limited volume (<0.1 cm3) in the middle ear, the mass tolerance (<25 mg) and the size of the eardrum (9 mm × 10 mm) and the requirement for covering the audible frequency band (250-5000 Hz) with enough number of channels are the main limitations/challenges for obtaining an adequate voltage output for neural stimulation. In this direction, design, modeling, fabrication and characterization of a multi-frequency thin film piezoelectric acoustic sensor have been accomplished to overcome the main bottlenecks of CIs. Pulsed Laser Deposited (PLD) Lead Zirconate Titanate (PZT) is preferred among other thin film piezoelectric alternatives due to their superior ferroelectric and piezoelectric properties for acoustic sensing. To demonstrate the feasibility of the proposed fabrication scheme, a single cantilever thin film PLD-PZT transducer prototype is fabricated. The realized device is assembled onto a flexible parylene carrier and placed on a parylene membrane, mimicking the operation of the eardrum. The mechanical, electrical and acoustical properties are characterized by a shaker table and an acoustic setup. Acceleration characteristic of the sensor attached to the membrane is obtained by using a Laser Doppler Vibrometer (LDV) as the output voltage was measured by an oscilloscope. A maximum voltage output of 114 mV is obtained, when the single channel device was excited at 110 dB Sound Pressure Level (SPL) at 1325 Hz. Experimental results show that the voltage output of the device exceeds the minimum required sensing voltage (100 µV) for the neural stimulation circuitry. Fabricated single-channel prototype is modeled using finite element modeling (FEM) which are within 92% agreement with the experimental results. Based on this model, a multi-channel thin film piezoelectric acoustic sensor is designed. The total volume, area and mass of the transducer are 5×5×0.2 mm3, 5×5 mm2, and 12.2 mg, respectively. The multi-channel prototype is fabricated and characterized. The electromechanical properties are measured by a shaker table and LCR meter. The test results show that, fabricated device, consists of several piezoelectric cantilever beams, each of which resonates at a specific frequency within the daily acoustic band (500 Hz – 2600 Hz). Consequently, the device provides mechanical filtering and shows a clear frequency selectivity mimicking the operation of the cochlea. Experimental results show that the voltage output of the device exceeds the minimum required sensing voltage for the neural stimulation circuitry and decreases the required power for readout circuitry. Expected to satisfy all the requirements (volume, mass, area, and stimulation signal at hearing band) of FICI applications for the first time in the literature, the fabricated device has a groundbreaking nature and it can be referred to as the next generation FICIs since it revolutionizes the operational principle of conventional CIs.
Benzer Tezler
- MEMS based thin film piezoelectric multi-channel transducer for sensing and filtering ossicular vibration
Kemikçik titreşimini algılamak ve filtrelemek için MEMS tabanlı ince film piezoelektrik çok kanallı dönüştürücü
MUHAMMED BERAT YÜKSEL
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- MEMS based multi – channel piezoelectric acoustic transducer for fully implantable cochlear implants
Tamamen implante koklear implantlar için MEMS tabanlı çok kanallı pizeoelektrik akustik dönüştürücü
MUHAMMED BERAT YÜKSEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Surface acoustic wave based sonoporation microsystems forsingle tumor cell applications
Başlık çevirisi yok
BURAK YILDIRIM
- Characterization of zno based diluted magnetic semiconductor thi̇n fi̇lms and nano particles produced by sol-gel method
Sol-gel yöntemiyle üretilen zno tabanlı seyreltik manyetik yarıiletken ince filmlerin ve nano parçacıkların karakterizasyonu
ELİF AŞIKUZUN
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiAbant İzzet Baysal ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. CABİR TERZİOĞLU
DOÇ. ÖZGÜR ÖZTÜRK
- Lamellar grating interferometer based MEMS Fourier transform infrared spectrometer
Kırınım ızgaralı girişim ölçer temelli MEMS Fourier dönüşümü kızılötesi spektrometre
NADİRE PELİN AYERDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY