Projeto e análise numérico-experimental de sensor MEMS implantável para dispositivos auditivos

Abstract

O desenvolvimento de um sensor implantável para implante coclear e aparelho auditivo é uma atividade que pode afetar diretamente até 5% da população mundial com deficiência auditiva. Diante de tal necessidade, diversos autores analisaram numericamente e experimentalmente diferentes tecnologias de transdução com o objetivo do desenvolvimento de um sensor implantável para dispositivos auditivos. Nenhum transdutor, no entanto, obteve sucesso integral cumprindo todos os requisitos para a aplicação em análise. Neste estudo é projetado e analisado numérico-experimentalmente um sensor do tipo acelerômetro piezoelétrico produzido com técnicas de fabricação de sistemas microeletromecânicos (microelectromechanical systems - MEMS). Cinco diferentes estruturas desses sensores foram analisadas numericamente através do método de elementos finitos em modelo multi-físico, tendo sindo a metodologia da modelagem numérica pré-validada com dados da literatura. As performances dos sensores de diferentes geometrias foram melhoradas através de implementação de técnicas de otimização multi-objetivo e objetivo simples. Protótipos de dimensões 2 mm x 2 mm e 4 mm x 4 mm foram produzidos através de fabricação multi-usuário de MEMS com camada de nitreto de alumínio de 0,5 um de espessura. A resposta de carga e de ruído dos protótipos foram caracterizados experimentalmente e comparadas com as predições numérica e analítica respectivamente. A modelagem numérica de um dos sensores de 2 mm x 2 mm, quando considerado acoplado à cadeia ossicular da orelha média em um ponto cirurgicamente viável, resultou nas seguintes características para o sistema: largura de banda de 0,8 kHz a 9,5 kHz para nível de pressão sonora superior a 50 dB; sensibilidade de 67,4 dB em 1 kHz e relação sinal ruído igual a 50 dB em 1 kHz com consumo estimado de 0,03 mW. As características aferidas são similares às dos sensores implantáveis atuais, o que indica a viabilidade desta tecnologia para o desenvolvimento de implantes cocleares e aparelhos auditivos totalmente implantáveis.

Abstract : The development of an implantable sensor for cochlear implant and hearing aid is a highly important task which may affect directly up to 5% of world population which present hearing losses. Due to this necessity, different authors analyzed numerically and experimentally different transducer technologies aiming to develop an implantable sensor for hearing devices. No transducer, however, has yet had success fulfilling the requirements of an ideal sensor. In the present study a microelectromechanical system (MEMS) piezoelectric accelerometer is projected and then analyzed numerically and experimentally. Five different structural formats of this sensor were analyzed numerically via the finite element method in a multi-physics model. The numerical methodology was validated using data presented in literature. Sensor's performance was improved via different optimization techniques. Prototypes with characteristic dimension equals to 2 mm and 4 mm were produced in a multi user MEMS piezoelectric fabrication system, in which a 0.5 um aluminium nitride layer is deposited. Charge response and noise were measured experimentally for each prototype. A 2 mm by 2 mm prototype, when considered coupled to the ossicular chain in the middle ear, resulted in the following performance characteristics: 0,8 kHz to 9.5 kHz bandwidth when 50 dB sound pressure level is applied, sensitivity equals to 67.4 dB at 1 kHz, signal to noise ratio equals to 50 dB at 1 kHz and power estimated as 0.03 mW. These characteristics are similar to the ones by current implantable sensors, which points to the feasibility of a MEMS piezoelectric accelerometer as solution to the implantable sensor.