KR101936805B1

KR101936805B1 - 하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법

Info

Publication number: KR101936805B1
Application number: KR1020170067173A
Authority: KR
Inventors: 조진호; 신동호; 문하준; 성기웅
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2019-04-09
Also published as: KR20180130929A

Abstract

하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법이 개시된다. 하이브리드 이식형 마이크로폰은 외부 소리가 입력되는 경우, 고막을 통해 중이강 내에 생성되는 음압신호를 검출하는 ECM(Electret Condenser Microphone), 외부 소리가 입력되는 경우, 고막의 진동신호를 검출하는 가속도 센서, ECM에서 검출된 음압신호가 가속도 센서에서 검출된 진동신호를 각각 역 위상으로 인가하여 차동 증폭하여 증폭된 신호를 출력하는 제어부를 포함한다.

Description

하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법{HYBRID IMPLANTABLE MICROPHONE AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 중이(middle ear) 이소골의 추골(malleus)에 설치되는 하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 청력 보상을 위해 사용되는 보청기는 음향을 증폭하여 제공하는 방식의 공기 전도형 보청기 (air conduction hearing aid)이고, 주로 경도 난청에서 중고도 미만의 난청자에 사용된다. 그러나 공기 전도형 보청기는 감각신경성 난청을 동반하는 중고도 난청 이상의 청력손실을 가진 경우 우수한 음질과 어음명료도(speech discrimination score)를 제공하는 것이 어렵다. 또한 피드백에 의한 경음발생, 외이도 막힘 효과 및 착용에 따른 동통발생 등이 수반되므로 매우 불편하다. 그러므로 이러한 문제를 극복하기 위하여 중고도 난청 이상의 난청자는 인공중이(middle ear implant)를 사용함으로써 청력 보상이 가능하다. 또한 청력이 거의 소실된 고도난청 이상의 농자인 경우 인공와우(cochlear implant)만이 유일한 해결 방법이다. 이에 따라 난청 정도가 매우 큰 사람들이나 농아들에게 귀바퀴 뒤에 착용되는 인공와우가 사용되고 있고 또한 귀 뒤의 측두골 표면에 착용하는 동전형태의 반이식형 보청기(Semi-implantable hearing aid)가 실용화되고 있다. 그러나 지금까지 성공적으로 상용화 된 인공중이와 인공와우는 체외기가 외부에 존재함으로써 탈부착과 미용상의 문제 때문에 난청자의 만족도가 낮고 보청기의 보급율도 저조한 실정이다. 그러므로 성능이 더 우수한 이식형 보청기에 대한 연구가 많이 진행되고 있으나 완전 이식형으로 구현되는 것은 아직 어려운 실정인데, 이는 체내에 이식할 수 있는 성능이 우수한 이식형 마이크로폰이 부재한 것이 주요한 이유이다. 즉, 체내에 이식하는 마이크로폰은 감도가 높아야 할 뿐만 아니라, 의사들이 설치하기가 쉽고 사람의 움직임에 따른 생체의 동잡음의 유입을 차단할 수 있어야 하는 어려움이 있기 때문이다.

본 개시의 목적은 마이크로폰을 용이하게 체내에 이식할 수 있고, 감도를 높은 상태로 유지하며, 사람의 움직임에 따른 생체의 동 잡음(Moving Artifact)의 유입을 차단하는 하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법을 제공함에 있다.

본 개시의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰은 외부 소리가 입력되는 경우, 고막을 통해 중이강 내에 생성되는 음압신호를 검출하는 ECM(Electret Condenser Microphone); 상기 외부 소리가 입력되는 경우, 고막의 진동신호를 검출하는 가속도 센서; 및 상기 ECM에서 검출된 음압신호와 상기 가속도 센서에서 검출된 진동신호를 각각 역 위상으로 인가하여 차동 증폭하고, 상기 증폭된 신호를 출력하는 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 가속도 센서는 상기 ECM 아래 배치된 전극판(electrode plate)과 상기 전극판 하면에 대응되는 백플레이트(backplate)를 포함하고, 상기 ECM의 관성에 따른 상기 전극판과 상기 백플레이트 사이의 커패시턴스의 용량 변화에 기초하여 상기 고막의 진동신호를 검출할 수 있다.

상기 하이브리드 이식형 마이크로폰은 상기 ECM과 상기 가속도 센서 사이의 쇼트를 방지하는 절연 격리막;을 더 포함하고, 상기 ECM은, 도전성 막이 하면에 코팅된 일렉트릿(electret) 층을 포함할 수 있다.

상기 일렉트릿 층은, 적어도 하나의 에어 홀이 형성될 수 있다.

상기 가속도 센서의 진동신호는, 기 설정된 중대역 주파수 영역에서 상기 ECM에서 검출된 음압신호의 이득을 기 설정된 크기로 보상할 수 있다.

상기 하이브리드 이식형 마이크로폰은 추골(malleus)에 결합되는 결합부재를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 증폭된 신호를 출력하는 도선을 포함하는 하면 기판을 포함하고, 상기 결합부재는, 상기 추골에 결합하는 클립; 및 상기 클립과 상기 하면 기판을 연결하고, 상기 하이브리드 이식형 마이크로폰이 추골이 진동하는 방향으로 진동하도록 비틀어지는 센서자루;를 포함할 수 있다.

상기 결합부재는 스테인리스 스틸 및 티타늄합금 중 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 검출된 음압신호와 상기 검출된 진동신호의 전압차를 증폭하여 상기 증폭된 신호를 출력하는 차동 증폭기를 더 포함할 수 있다

상술한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰 제어 방법은 외부 소리가 입력되는 경우, 고막을 통해 중이강 내에 생성되는 음압신호와 고막의 진동신호를 각각 검출하는 단계; 상기 검출된 음압신호와 상기 검출된 진동신호를 각각 역 위상으로 인가하여 차동 증폭하는 단계; 및 상기 증폭된 신호를 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 하이브리드 이식형 마이크로폰은 추골(malleus)에 클립을 이용하여 연결함으로써 간편하고 용이하게 설치할 수 있다.

그리고, 하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법은 협소한 주파수 대역 문제와 중대역 저감도 문제를 해결할 수 있다.

또한, 하이브리드 이식형 마이크로폰 및 제어 방법은 귀바퀴 집음효과 및 외이도의 공명이득을 사용할 수 있고 고막을 통해 듣는 것이므로 음식물 저작 등에 따른 신체 동 잡음 및 머리피부를 통해서 들어오는 접촉 잡음을 회피할 수 있다.

본 개시의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 설치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 측단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 ECM 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰을 나타내는 분해사시도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 진동막의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 진동막 두께에 따른 진동 특성을 나타낸 도면이다.
도 8a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 ECM의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.
도 8b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가속도 센서의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 차동 증폭기를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함될 수 있다. 명세서에서 사용되는 “포함한다(comprises)” 및/또는 “포함하는(comprising)”은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 설치를 설명하는 도면이다.

정상인의 경우, 외부에서 발생된 소리의 음압이 외이도(10)로 전달되고 고막(21)에서 진동으로 변환된다. 변환된 진동은 이소골(추골(23), 침골(24), 등골(25))(22)에서 증폭되어서 달팽이 관(31)으로 전달된다. 내이(30)에 있는 달팽이관(31) 안으로 전달된 음파가 코르티기관의 유모세포에서 전기적 에너지로 바뀌어져서 뇌로 전달되면서 정상인은 소리를 들을 수 있다. 인공중이의 원리는 포집된 음성에 해당하는 음향 혹은 진동 신호를 전기신호로 변환하여 난청자의 수준에 맞게 가공하고, 가공된 전기신호를 진동신호로 변환하여 이소골(22)의 특정부위에 출력하는 것이다.

본 개시의 실시 예에 따른 마이크로폰(100)은 중이(20)에 있는 3개의 이소골(22) 뼈 중에서 가장 자루가 굵은 추골(malleus)(23)에 설치된다. 본 개시의 마이크로폰(100)은 추골(23)의 자루에 클립을 이용하여 간단히 설치될 수 있어 의사가 이식 수술하기에 매우 유리하다. 또한, 기존의 이식형 음향센서의 경우 많은 주파수 성분이 소실되는 단점이 있다. 그러나, 본 개시의 마이크로폰(100)은 후술할 ECM과 가속도 센서를 이용하여 음성과 진동신호를 동시에 포집함으로써 가청주파수 대역(20 ~ 20kHz)에서 음성신호 포집의 손실을 최소화 하는 장점이 있다. 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 하이브리드 이식형 마이크로폰(100)은 ECM(110), 제어부(120) 및 가속도센서(130)를 포함한다.

귀 바퀴(pinna)와 외이도(ear canal)를 통해 외부 소리가 들어오는 경우 소리에 대해 컴플라이언스(compliance)가 큰 고막에서 1차적으로 음향에너지가 일부 흡수되어, 중이(20)로 전달되는 소리의 강도는 약 10dB 정도 감쇠된다. 즉, 원래 소리의 2/3 정도는 고막에서 흡수되고 나머지 약 1/3 정도가 중이강(20) 내부로 들어옴을 의미한다.

하이브리드 이식형 마이크로폰의 ECM(110)은 외부소리가 입력되는 경우 고막을 통해 중이강 내에 생성되는 음압신호를 검출한다.

가속도 센서(130)는 외부소리가 입력되는 경우, 고막이 진동하면서 이소골의 추골로 전달된 진동신호를 검출한다.

따라서 본 개시의 하이브리드 이식형 마이크로폰(100)은 ECM(110)에서 검출된 신호와 가속도 센서(130)에서 검출된 신호를 합쳐서 전체 이득을 높일 수 있다.

제어부(120)는 ECM(110)에서 검출된 음압신호와 가속도 센서(130)에서 검출된 진동신호를 각각 역 위상으로 인가해서 차동 증폭하여 증폭된 신호를 출력한다. 제어부(120)는 후술할 상면 기판과 하면 기판을 포함한다. 상면 기판은 플렉시블 상면 기판일 수 있다. 또한 상면 기판에는 ECM(110)에서 검출된 신호를 차동 증폭하기 위한 ECM(110)의 증폭 소자 와 가속도 센서(130)에서 검출된 신호를 증폭하기 위한 가속도 센서(130)의 증폭 소자가 포함될 수 있다. 예를 들어, 증폭 소자는 트랜지스터일 수 있다. 구체적인 회로 구조는 후술하기로 한다.

도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 측단면도이다.

도 3a를 참조하면 가장 상단에 ECM(110)이 위치한다. ECM(110)은 가속도 센서(130)의 질량체로서 작동할 수 있다.

ECM(110)의 하단과 가속도 센서(130) 상단 사이에는 절연 격리막(140)이 위치할 수 있다.

절연 격리막(140)의 하면에 제어부(120)의 상면 기판(121)이 위치되고 상면 기판(121) 하면에는 가속도 센서(130)에 포함된 진동막(membrane)(131)이 위치된다. 진동막(131)은 탄성 엘레멘트(132)를 포함한다. 탄성 엘레먼트(132)는 하면 기판(122)의 스페이스 엘레먼트(space element)(122a)와 결합하게 하는 쓰루 홀(through hole)을 포함한다. 탄성 엘레먼트(132)와 하면 기판(122)의 스페이스 엘레먼트(122a)의 결합 구조는 상단의 ECM(110)을 지지한다. 스페이스 엘레먼트(122a)는 진동막(131)이 진동할 수 있는 공간 확보 및 신호의 입출력을 위함이다. 진동막(131)의 하면에 전극판(electrode plate)(133)이 부착되어있다. 전극판(133) 하면에 대응되는 백플레이트(backplate)(135)가 배치된다. 백플레이트(135)의 상단은 일렉트릿(electret)(134)이 도포된다. 일렉트릿(134)이란 전계를 가했을 때 생긴 유전 분극이 전계를 없앤 다음까지 잔류하는 물질로 만든 하전체로 자기에서의 영구 자석에 대응하는 것이다. 예를 들어, 일렉트릿(134)은 폴리프로필렌이나 마일러 등의 플라스틱으로 만들며, 소형 마이크로폰 등에 이용된다. 일렉트릿(134)에 의해 하이브리드 이식형 마이크로폰(100)은 고막 내 추골(23)에 설치된 후 영구작동을 할 수 있다. 상기 스페이스 엘레먼트(122a)는 가속도 센서(130)의 전극판 (133)과 백플레이트(backplate)(135)의 이격 거리를 조절할 수 있다. 본 개시는 전극판(133)과 백플레이트(135) 사이의 커패시턴스를 C1이라고 가정한다. 외이도의 음압에 따라 고막에 연결된 추골(23)이 진동하면 비틀림 센서 자루에 의해 가속도 센서(130)의 질량체가 운동방향의 가속도에 따른 관성힘을 가질 수 있다. 가속도 센서(130)의 질량체가 관성힘을 가지는 경우, 전극판(133)과 백플레이트(135) 사이의 간격(130a)이 변화하여 C1의 용량변화가 나타나는데 변화된 용량이 ΔC1이다. ΔC1의 크기가 증대되면 감도가 높아진다.

중이의 특성을 고려할 때 하이브리드 이식형 마이크로폰(100)의 전체의 무게는 30mg 이하로 되는 것이 바람직하므로 ECM(110)의 전체 무게는 15mg 미만으로 제작되는 것이 바람직하다. 도 3b를 참조하면 가속도 센서(130)의 진동막(131)에 포함된 탄성 엘레먼트(132)의 역할을 보여준다. 고막이 진동하면서 ECM(110)이 하면을 누르면 탄성 엘레먼트(132)가 ECM(110)을 지지하면서 휘어진다. 진동이 일어나면 위아래로 계속 진동하면서 탄성 엘레먼트(132)가 위아래로 구부러짐을 반복한다. 그리고, 두 극판 사이의 간격(130a)이 변화하여 C1의 용량변화가 일어나 가속도 센서(130)가 진동 신호를 감지하게 된다. 이와 같이 ECM(110)은 가속도 센서(130)의 질량체로서 작동한다.

도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 ECM 구조를 설명하는 도면이다.

도 4를 참조하면 외이도를 통해 입력된 소리는 고막에서 모두 흡수되지 않고 소리의 강도가 약 10dB 정도 감쇠되어 중이(20)로 들어온다. ECM(110)은 소리의 강도가 감쇠된 낮은 음향 에너지를 감지할 수 있다. ECM(110)의 구조를 살펴보면, ECM(110)에는 다이아프램 링(113)에 감싸져 있는 다이아프램(112)이 배치된다. 다이아프램(112)의 상단은 도전성 막(111)이 코팅된다. 다이아프램(112)의 재료는 폴리프로필(PPS) 일 수 있다. 다이아프램(112)은 다이아프램 링(113)에 의해 감싸져 있으며 다이아프램(112) 바로 아래는 커패시터를 형성하기 위한 두 극판 사이 간격(gap)(110a) 을 결정해 주는 스페이스(space) 링(114)이 있다. 스페이스 링(114)은 절연체이며 두께가 20~30μm 일 수 있다. 스페이스 링(114) 하면에 전하가 차지(charge)된 일렉트릿(electret) 층(115)이 위치하고 있고 일렉트릿 층(115)의 하면에 도전성 막(116)이 코팅되어있다. 본 개시는 도전성 막(111)이 코팅된 다이아프램(112)과 일렉트릿 층(115) 사이의 커패시턴스를 C2라고 가정한다. 음압에 따라서 다이아프램(112)이 진동하면 다이아프램(112)과 일렉트릿 층(115) 사이의 간격(110a)이 변화하여 C2의 용량변화가 나타나는데 변화된 용량이 ΔC2이다. ΔC2의 크기가 증대되면 감도가 높아진다. 일렉트릿 층(115)에는 고막의 진동 시 공기의 저항 압축을 피하기 위해 적어도 하나의 에어 홀이 형성될 수 있다. 또한 일렉트릿 층(115)은 두께가 1mm 미만일 수 있다. 그리고 상면기판(121)에는 신호를 저잡음으로 증폭하기 위한 증폭 소자(121a)가 위치할 수 있다.

마이크 내부로 이물질 및 습기 등의 유입을 방지하기 위하여 ECM(110)의 전면에 다공질 필터 혹은 생체 적합성 플라스틱 섬유로 된 천으로 스크린을 설치할 수 있다.

도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰을 나타내는 분해사시도이다.

도 5를 참조하면 하이브리드 이식형 마이크로폰(100)은 마이크로폰 케이스(160)를 포함한다. 케이스(160)는 하면 기판(122)과 결합할 수 있는 고정용 굽힘 팁(161)을 포함한다. 이 때 케이스(160)는 후술할 가장 아래의 하면 기판(122)에 포함되는 고정용 굽힘 팁 홈(122b)에 결합된다.

예로, 하면 기판을 교체할 수 있는 용어는 bottom plate PCB가 될 수 있다.

케이스(160) 내부에는 ECM(110)이 위치한다. ECM(110)은 다이아프램(112), 다이아프램을 감싸는 다이아프램 링(113), 스페이스 링(114) 및 일렉트릿(electret) 층(115)을 포함한다. 일렛트릿 층(115) 하면에는 도전성 막(116)이 코팅되어 있다.

ECM(110)의 하단과 가속도 센서(130) 상단 사이에는 절연 격리막(140)이 위치할 수 있다. 절연 격리막(140)은 일렉트릿 층(115)과 가속도 센서(130) 사이의 쇼트를 방지한다.

ECM(110)은 3개의 인출선 즉, 각각 전원선과 접지선 및 출력단자 도선이 포함된다. 3개의 인출선은 가늘고 두께가 얇은 플랫(flat) 케이블을 이용해 절연 격리막(140) 측면과 케이스(160) 사이의 틈을 통과하여 제어부의 상면 기판(121) 부분과 연결된다. 예로, 상면 기판을 교체할 수 있는 용어는 PCB가 될 수 있다.

상면 기판(121)에는 ECM(110)에서 검출된 음압신호를 증폭하기 위한 증폭 소자(121a)와 가속도 센서(130)에서 검출된 진동신호를 증폭하기 위한 증폭 소자(121b)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 증폭 소자는 트랜지스터일 수 있다.

가속도 센서(130)는 탄성 엘레먼트(132)를 포함하는 진동막(131), 진동막(131)하면에 부착된 전극판(133) 및 백플레이트(backplate)(135)를 포함한다.

하면 기판(122)의 상단에는 백플레이트(135)가 부착된다. 백플레이트(135)의 상단은 일렉트릿(134)이 도포된다.

하면 기판(122)에 포함된 스페이스 엘레먼트(122a)는 탄성 엘레먼트(132)에 포함된 쓰루 홀(131e)과 결합된다.

스페이스 엘레먼트(122a)에는 가속도 센서(130)를 위한 대향전극이 프린트되어있다. 대향전극 위에 백플레이트(135)가 위치한다. ECM(110)에서 발생하는 3개의 인출선과 접지선은 진동막(131)의 탄성 엘레먼트(132)의 끝 지점과 프린트기판 혹은 스퍼터링에 의한 도체 박막층과 연결되어 있다. 탄성 엘레먼트(132)의 끝 지점은 스페이스 엘레먼트(122a)와 연결되어 하면 기판(122)로 인도되며 프린터된 도선(122c)을 따라 출력된다. 탄성 엘레먼트(132)는 스파이럴 혹은 일자형 등 다양한 모양을 가질 수 있고, 도면에 보이는 판 스프링 형태로 한정되지 않고 이러한 기능을 할 수 있는 탄성을 가진 부재가 이용될 수 있다. 탄성 엘레먼트(132)의 두께와 폭 및 코팅재질의 종류를 조절함으로써 가속도센서의 주파수특성을 조절할 수 있다.

내부의 회로기판의 습기보호를 위해 회로소자와 프린트된 도선(122c)은 생체적합성 방습코팅 처리가 될 수 있다.

하면 기판(122)과 결합된 결합부재가 있다. 결합부재는 추골에 결합될 수 있는 클립(151)과 센서자루(152)를 포함할 수 있다. 센서자루(152)는 하이브리드 이식형 마이크로폰(100)이 고막 또는 추골의 진동 방향으로 위치되도록 비틀어질 수 있다. 이 결합 부재는 생체적합용 금속재료인 스테인레스 재료 또는 티타늄 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 스테인레스 재료는 SUS316L 일 수 있고, 티타늄 재료는 Ti6Al4V 일 수 있다. 결합 부재의 두께는 수십 μm이므로 쉽게 비틀어 질 수 있다.

도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 진동막의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 6를 참조하면, 귓바퀴와 외이도를 포함하는 귀의 음향 전달 특성은 3kHz에서 약 20dB의 음향 이득이 발생하고 이후 급격한 감쇠현상(roll-off)을 보이며 이득이 감소하게 된다. 따라서 하이브리드 마이크로폰이 광대역에서 이득을 가지기 위해서 진동 기반의 가속도 센서는 3.5kHz 근처에서 공진주파수를 가져야만 한다. 이에 적합한 가속도 센서 설계를 위한 스프링 역할을 하는 진동막(131)의 제작이 필요하다. 진동막(131)은 탄성 엘레먼트(132)를 포함하며, 이를 구성하는 빔의 각도(131a), 폭(131d), 두께(131c), 그리고 길이(131b)에 따라 특성이 결정된다. 그러므로 진동막(131)의 구성요소를 적절히 가변한다면 진동 기반의 가속도 센서에서 요구되는 진동 주파수 특성을 가지게 할 수 있다. 진동막(131)의 주파수 특성은 강성계수에 의해 결정되며, 식 (1)에 의해 도출할 수 있다.

k=n(3EI/l^3 )=(nEWT^3)/(4l^3 ) --- (1)

여기서 k는 진동막에 대한 강성계수, n은 진동막의 빔의 개수, E는 빔에 대한 탄성계수, I는 빔 단면의 관성 모멘트, W는 빔의 너비, T는 빔의 두께 그리고 l은 빔의 길이를 나타낸다.

Wn= √(3EI/(ml^3 )) ---- (2)

또한, 질량에 의한 진동막의 공진 주파수는 식(2)와 같이 진동막의 강성계수와 질량에 의해 계산된다. 여기서, Wn은 진동막의 공진주파수 그리고 m은 질량을 나타낸다. 위에 정의된 수학적 모델을 통한 각 구성요소들의 수식을 유도한 것은 진동막(131) 설계에 있어 가장 큰 영향을 미치는 가변요소들을 찾고 이것을 이용하여 유한요소 해석(finite element analysis, FEA)을 수행하기 위함이다.

진동막(131)의 제작은 스테인레스 스틸 금속판에 화학적 식각 공정을 가하여 제작한다. 화학적 식각 공정은 금속판에 감광선 건조 필름과 패턴을 형성한 마스크로 덮은 후에 자외선을 조사하고 필름 현상 용액을 사용하여 패턴을 형성한다. 패턴이 형성된 금속판을 염화제이철용액에 넣어 식각 공정을 수행하여서 진동막(131)이 제작이 된다.

도 7a 내지 도 7c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 진동막 두께에 따른 진동 특성을 나타낸 도면이다.

고주파 대역에서 충실한 음향 포집을 할 수 있도록 각각의 가변요소에 대한 구조해석을 수행하여 최적의 주파수 특성을 가지도록 진동막이 설계될 수 있다.

도 7은 진동막의 각각의 빔의 각도와 빔의 두께를 달리하여 유한요소 해석을 수행한 결과이다. 상기 식 (2)를 이용하여 진동막의 주파수 특성에 대한 근사치 값이 산출될 수 있다. 하지만 명확한 값을 도출하기 위하여 유한요소 해석 프로그램 (COMSOL Multiphysics 5.0)이 이용될 수 있다.

음압기반의 ECM과 진동기반의 가속도센서에서 4개의 신호선이 빔을 통해서 입출력되기 때문에 진동막에서는 4개의 빔이 필요하다. 상기 빔은 탄성을 가지는 탄성 엘레먼트이다. 또한, 진동막과 입출력 하면 기판와의 결합을 고려하여 빔의 유효각도는 30°, 45° 및 60°로 고정했다. 유한요소 해석은 진동막의 강성계수에 가장 큰 영향을 주는 빔의 두께와 빔의 길이에 대해 구조해석(structural analysis)을 수행하였다. 해석 수행에는 진동막의 재료인 스테인레스 스틸(stainless steels-grade 304)의 물성 값이 사용되었으며, 빔에 가해진 질량은 음압기반의 ECM의 직경이 3mm로 결정했을 때의 무게인 35mg을 적용하였다. 빔의 폭은 화학적 식각 공정의 용이성을 고려하여 0.2mm로 고정하였고, 진동막의 거동을 확인하기 위해 인가한 강제 구동 변위는 600nm이다.

도 7a는 빔의 각도를 60°로 고정한 후 진동막을 구성하는 빔의 두께에 따른 유한요소 해석 결과이다. 빔의 두께는 화학적 식각 공정에 사용되는 금속판의 규격을 고려하여 30 μm ∼ 90 μm까지 10 μm 단위로 수행하였다.

도 7b는 빔의 각도를 45°로 고정한 후 진동막을 구성하는 빔의 두께에 따른 유한요소 해석 결과이다. 빔의 두께는 화학적 식각 공정에 사용되는 금속판의 규격을 고려하여 30 μm ∼ 90 μm까지 10 μm 단위로 수행하였다.

도 7c는 빔의 각도를 30°로 고정한 후 진동막을 구성하는 빔의 두께에 따른 유한요소 해석 결과이다. 빔의 두께는 화학적 식각 공정에 사용되는 금속판의 규격을 고려하여 30 μm ∼ 90 μm까지 10 μm 단위로 수행하였다.

도 7a, b 및 c에 나타난 해석결과를 살펴보면 빔의 유효각은 60°이고 빔의 두께가 80 μm인 진동막, 빔의 유효각은 45°이고 빔의 두께는 60 μm인 진동막, 그리고 빔의 유효각은 30°이고 빔의 두께는 40 μm인 진동막이 설계 목표 값인 3.5kHz에 가까운 3.6 kHz에서 기계적 공진이 발생하였다. 그러나 빔의 유효각이 작을수록 하면 기판에 포함된 스페이스 엘레먼트와 부착이 어려워진다. 따라서 제작을 용이하게 하기 위해서 진동막의 구조는 빔의 유효각 60°와 빔의 두께가 80 μm가 바람직하다.

도 8a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 ECM의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.

도 8a를 참조하면, 일반적으로 ECM의 감도는 음에 따라 진동하는 다이아프램의 지름에 비례하는데 대략 -35dB 수준이다. 도 8a는 지름이 3mm인 ECM의 주파수 특성으로 20Hz부터 약 7kHz까지 -42dB의 감도로 유지된다. -42dB의 감도가 유지되는 이유는 고막 뒤에 설치되어 고막의 차단효과 때문이다. 그 후 감도가 더 낮아지지만 10kHz 부근까지는 -50dB 보다 높은 감도를 가진다. 예를 들면, ECM에서 검출된 음압신호의 이득은 -42dB일 수 있다. 하지만 이 정도로는 보청기 칩의 필요 입력레벨인 최소 -35dB 정도에 도달하기에는 부족한 정도이다. 따라서 가속도 센서를 사용하여 10dB 이상의 감도 특성이 보상되어야 한다. 예를 들면, 하이브리드 이식형 마이크로폰의 설치로 ECM에서 검출된 이득을 보상하려는 기 설정된 크기는 -35dB 이상일 수 있다.

도 8b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가속도 센서의 주파수 특성을 나타낸 도면이다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 가속도 센서의 특성상 질량체(mass)는 입력음압에 따라 함께 진동하기 때문에 가속도 센서는 2kHz보다 낮은 주파수인 저주파 영역에서 응답이 나타나지 않아 진동신호를 감지하지 못할 수 있다. 가속도 센서(130)는 주파수가 2kHz 부근에서 질량체의 관성에 의한 제어력 때문에 응답이 증가하다가 공진점인 3.5kHz에서 가장 큰 응답이 발생하고 공진점 이후에는 급격히 이득이 감소하여 5kHz 이후부터는 0dB 이하로 떨어질 수 있다. 즉, 가속도 센서는 저주파 및 고주파 이득은 낮으나 2~5kHz 영역 부근에서 이득을 나타낼 수 있다. 예를 들면 기 설정된 중대역 주파수 영역은 2~5kHz영역 사이 일 수 있다. 단, 기 설정된 주파수 영역을 한정하지 않고 도 7a 내지 도 7c에 도시한 바와 같이 진동막 제작에 따라 달라질 수 있다. 특히, 가속도 센서(130)는 공진점 부근의 중역에서 우수한 이득을 나타낼 수 있다.

하이브리드 이식형 마이크로폰은 ECM의 주파수 특성과 가속도 센서의 주파수 특성을 결합하여 중이강 내에서 우수한 이득을 가져온다. 하이브리드 이식형 마이크로폰의 무게는 고막 및 이소골의 음향계에 영향을 주지 않을 정도의 무게인 30mg미만으로 제작될 수 있다.

도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 차동 증폭기를 설명하는 도면이다.

제어부는 ECM(110)에서 검출된 음압신호와 가속도 센서(130)에서 검출된 진동신호를 각각 역 위상으로 입력하여 차동 증폭하여 증폭된 신호를 출력한다. 제어부는 상면 기판과 하면 기판을 포함한다. 상면 기판에는 ECM(110)에서 검출된 신호를 증폭하기 위한 ECM(110)의 증폭 소자(121a) 및 가속도 센서(130)에서 검출된 신호를 증폭하기 위한 가속도 센서(130)의 증폭 소자(130a)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 증폭 소자는 트랜지스터일 수 있다. 도 9에는 트랜지스터가 MOSFET인 실시 예가 도시되어 있다. 회로 왼쪽은 ECM(110)에 포함된 일렉트릿 층(115)이 + 단자로 MOSFET(121a)의 제1 게이트 단자(801) 연결되었고, 회로 오른쪽은 가속도 센서(130)에 포함된 백플레이트 상단에 도포된 일렉트릿 층(134)에 대응하는 전극판이 - 단자로 MOSFET(121b)의 제2 게이트 단자(802)에 연결되었다. 이는 두 증폭기에서 신호가 상호 역 위상으로 증폭되게 하여 출력단자(803, 804)에서 두 신호가 차동 증폭에 의해 가산(add)되어서 나타나게 하기 위함이다. ECM(110)과 가속도 센서(130)의 위치는 바뀔 수 있다. 도 9는 ECM(110)과 가속도 센서(130)를 각각 MOSFET 게이트 단자에 서로 대칭적으로 접속하고, 양자의 입력차에 비례한 출력을 얻는 차동 증폭기를 나타낸다. 각각 게이트에 가한 두 입력의 차에 비례한 출력을 제1 드레인 단자(803) 및 제2 드레인 단자(804)에서 두 신호가 차동적으로 합성되어 이득이 증가한다. 또한, 차동 증폭기는 두 개의 입력으로 동시에 들어오는 잡음 등의 성분을 제거할 수 있다.

도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 이식형 마이크로폰의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 10을 참조하면, 외부소리가 입력되는 경우 하이브리드 이식형 마이크로폰의 ECM에서 고막을 통해 중이강 내에 생성되는 음압신호를 검출하고 가속도 센서에서 고막의 진동신호를 검출한다(S1010). 고막에서 1차적으로 음향에너지가 흡수가 일어나고 이소골의 추골이 진동한다. 추골의 진동에 따라 가속도 센서 상단에 있는 ECM이 하면을 누르면서 탄성 엘레먼트가 위아래로 구부러짐을 반복한다. 따라서, 가속도 센서에 포함된 두 극판 사이의 간격이 변화하여 C1의 용량 변화가 일어나 진동 신호가 검출된다.

그리고 고막에서 흡수 되지 못하고 소리의 강도가 약 10dB 정도 감쇠되어 중이로 들어온 음압신호를 ECM에서 검출한다. ECM에서 음압에 따라서 다이아프램이 진동하면 도전성 막이 코팅된 다이아프램과 일렉트릿 층 사이의 간격이 변화하면서 C2의 용량 변화가 일어나 음압신호가 검출된다.

ECM에서 검출된 음압신호와 가속도 센서에서 검출된 진동신호를 각각 역 위상으로 인가하여 차동 증폭한다(S1020). ECM에서 검출된 음압신호와 가속도 센서에서 검출된 진동신호는 제어부의 상면 기판에서 차동 증폭된다. 상면 기판에는 ECM에서 검출된 신호를 증폭하기 위한 ECM의 증폭 소자(121a)와 가속도 센서에서 검출된 신호를 증폭하기 위한 가속도 센서의 증폭 소자(121b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 증폭 소자는 트랜지스터일 수 있다.

증폭된 신호를 출력한다(S1030). 제어부에는 상면 기판 및 하면 기판을 포함한다. 하면 기판은 프린트된 도선이 연결된 스페이스 엘레먼트를 포함한다. 제어부에서 증폭된 신호가 스페이스 엘레먼트에 프린터된 도선을 따라 출력되는 단계를 포함한다.

100: 하이브리드 이식형 마이크로폰
110: ECM
120: 제어부
130: 가속도 센서

Claims

하이브리드 이식형 마이크로폰에 있어서,
외부 소리가 입력되는 경우, 고막을 통해 중이강 내에 생성되는 음압신호를 검출하는 ECM(Electret Condenser Microphone);
상기 외부 소리가 입력되는 경우, 상기 고막의 진동신호를 검출하는 가속도 센서; 및
상기 ECM에서 검출된 음압신호 및 상기 ECM과 극성이 상이한 가속도 센서에서 검출된 진동신호를 상호 역 위상으로 인가하여 차동 증폭하며, 상기 차동 증폭된 신호를 가산하여 출력하는 제어부;를 포함하며,
상기 하이브리드 이식형 마이크로폰은,
상기 중이강의 고막 뒤에 삽입되며,
상기 ECM은,
상기 가속도 센서의 질량체가 위치하는 영역에 배치되어, 입력 음압에 따라 진동하는 상기 질량체의 기능을 수행하는 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 가속도 센서는,
상기 ECM 아래 배치된 전극판(electrode plate); 및 상기 전극판 하면에 대응되며, 상단에 일렉트릿(electret) 층이 도포되는 백플레이트(backplate);를 포함하고,
상기 ECM의 관성에 따른 상기 전극판과 상기 백플레이트 사이의 커패시턴스의 용량 변화에 기초하여 상기 고막의 진동신호를 검출하는 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제2항에 있어서,
상기 ECM과 상기 가속도 센서 사이의 쇼트를 방지하는 절연 격리막;을 더 포함하고,
상기 ECM은,
도전성 막이 하면에 코팅된 일렉트릿(electret) 층을 포함하는 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제3항에 있어서,
상기 일렉트릿 층은, 적어도 하나의 에어 홀이 형성된 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 가속도 센서의 진동신호는,
기 설정된 중대역 주파수 영역에서 상기 ECM에서 검출된 음압신호의 이득을 기 설정된 크기로 보상하는 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
추골(malleus)에 결합되는 결합부재;를 더 포함하는, 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 증폭된 신호를 출력하는 도선을 포함하는 하면 기판;을 포함하고,
상기 결합부재는,
상기 추골에 결합하는 클립; 및
상기 클립과 상기 하면 기판을 연결하고, 상기 하이브리드 이식형 마이크로폰이 추골이 진동하는 방향으로 진동하도록 비틀어지는 센서자루;를 포함하는 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제6항에 있어서,
상기 결합부재는 스테인리스 스틸 및 티타늄합금 중 적어도 하나의 재료로 형성된 하이브리드 이식형 마이크로폰.
제3항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 검출된 음압신호와 상기 검출된 진동신호 각각이 상호 역 위상으로 인가되도록 상기 ECM의 일렉트릿 및 상기 가속도 센서의 일렉트릿 각각을 극성이 다른 게이트 단자에 연결하며, 상기 상호 역 위상으로 인가된 상기 음압신호와 상기 진동신호의 전압차를 증폭하여 상기 증폭된 신호를 출력하며, 입력된 유도 잡음을 제거하는 차동 증폭기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 이식형 마이크로폰.
하이브리드 이식형 마이크로폰의 제어 방법에 있어서,
외부 소리가 입력되는 경우, ECM(Electret Condenser Microphone)을 이용하여 고막을 통해 중이강 내에 생성되는 음압신호를 검출하고, 가속도 센서를 이용하여 상기 고막의 진동신호를 검출하는 단계;
상기 ECM에서 검출된 음압신호 및 상기 ECM과 극성이 상이한 가속도 센서에서 검출된 진동신호를 상호 역 위상으로 인가하여 차동 증폭하는 단계; 및
상기 차동 증폭된 신호를 가산하여 출력하는 단계;를 포함하며,
상기 하이브리드 이식형 마이크로폰은,
상기 중이강의 고막 뒤에 삽입되며,
상기 ECM은,
상기 가속도 센서의 질량체가 위치하는 영역에 배치되어, 입력 음압에 따라 진동하는 상기 질량체의 기능을 수행하는 하이브리드 이식형 마이크로폰의 제어 방법.