Conception d'un capteur acoustique à membrane basilaire cochléaire bionique pour la sélectivité en fréquence basé sur un nanogénérateur triboélectrique à film

Contexte

De nombreuses personnes souffrent de troubles auditifs, causés par de nombreuses raisons telles que l'âge, le cancer, la tuberculose, le bruit, la toxicomanie, les traumatismes physiques dans le monde [1,2,3,4]. En tant que l'une des déficiences auditives les plus graves et les plus typiques, la perte auditive neurosensorielle est souvent causée par l'endommagement ou la perte de cellules ciliées de l'organe de Corti dans la cochlée, ce qui entraîne un trouble de la discrimination fréquentielle de la fonction auditive [5,6 ,sept]. Les fonctions les plus importantes de la cochlée sont de séparer les ondes sonores entrantes par leurs fréquences et de convertir différentes fréquences de vibrations induites par le son en électricité pour stimuler les nerfs auditifs [8, 9]. La membrane basilaire qui est un film spécial joue un rôle important pour la sélectivité des fréquences. La plupart des patients souffrant de surdité de perception choisissent les implants cochléaires, qui transforment l'acoustique en électricité pour stimuler les nerfs auditifs grâce à un réseau électrique inséré dans la cochlée [10, 11]. Cependant, ces implants cochléaires rendent les patients très inconfortables car ils disposent de nombreux équipements supplémentaires situés sur la tête des patients, ce qui entraîne de nombreux désagréments lorsque les patients dorment ou excisent. D'autre part, ils ont également besoin de périphériques pour fournir de l'énergie électrique à tout le système [12]. Pour surmonter ces inconvénients, la fabrication d'un article autoalimenté et d'une cochlée artificielle implantable entièrement autonome a été au centre des efforts de nombreux chercheurs dans le monde.

Pour réaliser la fonction de sélectivité des fréquences comme la cochlée, certains dispositifs à micro-nano structures ont été rapportés. Juichi Ito et Keon Jae Lee et al. capteur acoustique fabriqué qui peut réaliser la fonction de sélectivité de fréquences basée sur des matériaux piézoélectriques [13,14,15]. Cependant, la tension de sortie de ces dispositifs est relativement faible, allant de plusieurs microvolts à environ 100 μV en raison de la faible réponse en tension de la piézoélectricité. D'autre part, H Shintaku et al. démontrent un capteur acoustique fabriqué à partir d'un réseau de microfaisceaux qui ne pouvait réaliser les fréquences qu'à la fréquence la plus élevée par rapport à l'audile [16]. Mais toutes ces conceptions présentent certains types de faiblesses notables, telles que la procédure de fabrication complexe des dispositifs, une faible production d'électricité et la sélection de la fréquence.

En tant que nouveau domaine technologique émergent, le nanogénérateur triboélectrique (TENG) devient une méthode idéale pour surmonter tous ces problèmes [17,18,19]. Basé sur le couplage de l'électrification et de l'induction électrostatique, une production électrique merveilleuse peut être facilement obtenue avec une structure simple et moins coûteuse, évitant un processus de fabrication sophistiqué. Un tel mécanisme/conception maniable a dérivé un grand nombre de structures pour récupérer facilement divers types d'énergie mécanique et a fait que le dispositif auto-alimenté n'est plus un rêve [20,21,22,23]. Pour être détaillé, les TENG sont essentiellement développés pour la conversion d'énergie mécanique-électrique micro ou nanoscopique, ce qui est beaucoup plus compatible avec la vibration du flux d'air et encourage une série de recherches la concernant [24, 25]. Par exemple, en absorbant subtilement l'énergie acoustique, Yang et al. ont réussi à enregistrer de manière vivante une empreinte vocale avec un microphone auto-alimenté à base de TENG [26]. Notez que ces dispositifs sont d'une grande sensibilité à l'alternance de fréquence mécanique, éclairant l'avancement des composants sélectifs en fréquence de la prochaine génération.

Dans cet article, nous démontrons une sorte de dispositif acoustique qui réalise à la fois la sélectivité en fréquence et la transformation de l'énergie acoustique en énergie électrique. Notre appareil est composé de deux morceaux de membrane en polytétrafluoroéthylène (PTFE) qui sont fixés sur une fente trapézoïdale située sur une plaque acrylique, où la membrane en PTFE sur la fente sert de capteur. La fonction de la membrane en polytétrafluoroéthylène (PM) correspond à la capacité de la membrane basilaire naturelle, et elle est confirmée avec succès sur la base de la vibration de la PM survenue à différents endroits locaux en fonction de la fréquence des ondes sonores entrantes.

Méthodes/Expérimental

La figure 1 montre les dessins schématiques décrivant la membrane basilaire de la cochlée. La membrane basilaire joue un rôle important dans l'audition passive [27]. Sa forme est semblable à un cadre trapézoïdal qui est tordu en spirale et recouvert d'une fine membrane. En raison de sa caractéristique géométrique, la membrane basilaire est capable de séparer mécaniquement les composantes de fréquence contenues dans les ondes acoustiques entrantes. La région apicale de la membrane basilaire réagit aux ondes acoustiques élevées et la région basale ne réagit qu'aux sons de basse fréquence. Lorsqu'un emplacement spécifique de la membrane basilaire est vibré par son onde acoustique de fréquence de résonance, les cellules ciliées situées sur la membrane ouvrent ou ferment le canal ionique pour générer un potentiel électrique [28].

Schémas conceptuels de la membrane cochléaire et basilaire. La membrane basilaire est un film mince en spirale, dont la largeur a été réduite progressivement de l'apex à la base

La désignation du capteur acoustique à membrane est illustrée à la figure 2. Le dispositif comprend principalement deux couches de membranes PTFE, un morceau de film polyimide Kapton et deux morceaux de plaques acryliques avec les fentes trapézoïdales. La plaque acrylique est une plaque rectangulaire, d'une longueur de 120 mm, d'une largeur de 60 mm et d'une épaisseur de 4 mm. La fente trapézoïdale est située au milieu des plaques acryliques et la longueur de la ligne de base et de la ligne du dessus est de 30 et 10 mm, respectivement, avec une hauteur de 100 mm. Les membranes PTFE sont similaires aux plaques acryliques en longueur et en largeur, sauf que l'épaisseur n'est que de 20 μm. La forme trapézoïdale a été inspirée par la membrane basilaire cochléaire avec ses changements de fréquence de résonance locaux progressivement de la ligne supérieure à la ligne de base [29, 30]. Le réseau d'électrodes avec neuf éléments constitués du dépôt d'argent est fabriqué sur la face supérieure des membranes PTFE basées sur le système de pulvérisation de magnétisme. Étant donné que les électrodes d'environ 200 nm d'épaisseur sont extrêmement plus fines que celles du PTFE (40 μm), elles n'affecteront pas les caractéristiques de vibration du PTFE. Pour plus de commodité, les électrodes sont nommées #1~#9 de bas en haut de la membrane trapézoïdale, respectivement, comme le montre la Fig. 2b. La taille de chaque électrode est de 4*8 mm ² avec une forme de rectangle, et la distance dans le plan entre deux électrodes adjacentes est de 10 mm. Le film dur Kapton, de la même taille que la plaque acrylique, est placé entre les deux membranes PTFE. L'épaisseur de la membrane Kapton déterminera la limite de détection de la pression acoustique. Le rôle du film Kapton est de réaliser un espace étroit entre les deux couches de la membrane PTFE. Le film Kapton et les membranes PTFE ont été recouverts sans contrainte au milieu de deux plaques acryliques avec les fentes trapézoïdales avec de la colle adhésive. La vibration des PM est mesurée à l'aide d'un système de mesure par vibromètre laser Doppler (LDV) et d'un analyseur de niveau sonore aux différentes fréquences dans la plage de 100 à 3000 Hz. La sortie du signal électrique est mesurée à travers les électrodes à l'aide d'un préamplificateur.

Conception structurelle du capteur à membrane bionique. un La vue 3D des principaux composants du dispositif pour la sélectivité en fréquence. Ils sont collés ensemble, et seules les membranes extensibles en PTFE entourées par la fente trapézoïdale peuvent vibrer librement sous la stimulation sonore. b La vue de dessus du capteur. Les électrodes, faites de dépôt d'argent, sont numérotées de l'électrode #1 à #9

Résultats et discussion

Nous avons d'abord étudié l'effet de la pression acoustique sur les amplitudes des amplitudes de vibration de la membrane PTFE et la tension triboélectrique produite par le LDV et l'oscilloscope, respectivement. La figure 3 montre la relation entre la pression sonique externe et l'amplitude de vibration dans la membrane PTFE. Ici, nous choisissons le signal des électrodes numérotées #2, #5 et #8. La pression acoustique est fournie par un haut-parleur pouvant émettre une onde acoustique sinusoïdale distante de 100 mm de l'appareil avec un petit angle d'inclinaison. Comme on peut le voir sur la figure 3a, l'amplitude de vibration à chaque électrode augmente linéairement avec l'augmentation de la pression acoustique. De plus, l'amplitude augmente lorsque le nombre d'électrodes augmente. La figure 3b montre que la relation entre la pression acoustique et l'amplitude de la tension de sortie triboélectrique. L'amplitude de la sortie triboélectrique démontre également une relation linéaire avec la pression acoustique. Ces résultats prouvent que le capteur acoustique à membrane peut détecter l'amplitude de l'onde acoustique en examinant la tension du nanogénérateur triboélectrique.

Résultats expérimentaux en effet de la pression acoustique sur les amplitudes a de la vibration et b de sortie de tension triboélectrique. Apparemment, c'est une sorte de relation linéaire entre l'amplitude et la pression acoustique

Nous avons ensuite étudié la capacité de réglage du capteur acoustique à membrane avec sélectivité en fréquence. La figure 4a–c montre que la dépendance en fréquence des vibrations et de la tension triboélectrique en sortie aux électrodes #2, #5 et #8, respectivement. La ligne noire représente l'amplitude de vibration tandis que la sortie de la tension triboélectrique est tracée par la ligne rouge. Le résultat montre que chaque électrode a une fréquence particulière où l'électrode a des sorties relativement importantes. La région locale, où la fréquence de résonance locale du PTFE correspond à celle du son entrant, vibre avec une grande amplitude, ce qui entraîne un pic de vibration. Le pic de tension de sortie de l'électrode n°8 est de 104 mV, ce qui correspond à la région locale de la membrane PTFE avec le pic de vibration à 1850 Hz. De manière analogue, les régions locales avec des amplitudes de vibration à 200 et 1030 Hz correspondaient au pic de sortie de tension triboélectrique des électrodes #2 et #5, respectivement. En outre, la dépendance en fréquence des vibrations est qualitativement similaire à la sortie de tension triboélectrique.

Résultat de la recherche du signal de sortie de tension triboélectrique et de l'amplitude de vibration de a électrode #2, b électrode #5, et c l'électrode #8, qui a été mesurée par le système LDV et l'oscilloscope dans la fréquence allant de 20 à 3000 Hz, et une distribution du déplacement de vibration et du signal de sortie de tension triboélectrique se chevauchaient étroitement sur toute la bande de fréquence. d Résultats expérimentaux de la relation entre le nombre d'électrodes et la fréquence de résonance locale de la membrane PTFE

La figure 4d montre la relation entre la fréquence de résonance de la région locale et le nombre d'électrodes. Le nombre d'électrodes représente la distance depuis le bas de la fente trapézoïdale. De toute évidence, à mesure que la fréquence du son augmentait, le pic de vibration a tendance à se déplacer vers un plus grand nombre d'électrodes, correspondant à la région de base de la membrane basilaire réelle dans la cochlée.

Comme décrit précédemment, le capteur acoustique à membrane imite la membrane basilaire cochléaire, et le principe de fonctionnement peut être expliqué par deux parties, les vibrations acoustiques de la membrane et la production d'électricité induite par les vibrations. D'une part, les modèles de vibration acoustique de la membrane basilaire en PTFE en réponse à la pression acoustique externe à différentes fréquences allant de 20 à 3000 Hz (la partie de la fréquence audible de l'homme), ont été émulés par COMSOL Multiphysics, comme le montre la Fig. 5 [31]. A partir du résultat de la simulation, nous pouvons constater que la distribution d'amplitude de la membrane PTFE montre clairement la dépendance de la fréquence acoustique. L'endroit avec l'amplitude maximale, où la membrane PTFE résonne localement, se déplace de la ligne de base à la ligne supérieure de la zone trapézoïdale à mesure que la fréquence augmente, ce qui correspond bien aux résultats expérimentaux.

Le logiciel Comsol a été utilisé pour stimuler les caractéristiques de vibration d'une seule membrane PTFE à la fréquence de a 300 Hz, b 1000 Hz, c 2000 Hz

D'autre part, la vibration acoustique de la génération d'électricité induite par la membrane PTFE est attribuée au couplage entre l'électrification de contact et l'électrostatique [32], comme le montre la figure 6. Il n'y a pas de signal de tension lorsque le capteur acoustique à membrane n'est pas appliqué par un son (Fig. 6a). Lorsque la pression acoustique externe amène la membrane de PTFE supérieure au contact du dépôt d'argent sur la membrane de PTFE inférieure (Fig. 6b), le PTFE attrape des électrons de la couche d'argent, ce qui rend les charges triboélectriques négatives équilibrées par leurs homologues opposées en raison de l'électrostatique induction [19]. En conséquence, il n'y a ni différence de potentiel entre les deux couches ni entre l'électronique de la membrane supérieure et la masse. Lorsque la pression acoustique externe a disparu, la membrane basilaire en PTFE supérieure rebondira sur la membrane en PTFE inférieure en raison de son élasticité inhérente. Un espace apparaîtra entre deux couches de membrane (Fig. 6c), qui entraînent la chute du potentiel électrique d'une certaine électrode à travers elles en raison des charges triboélectriques, de la même manière que la relation entre l'électrode d'argent et la terre [33].

Le schéma du principe de fonctionnement du capteur. un Etat de repos, dans lequel le PTFE n'est pas chargé, sans stimulation sonore. b État de contact, dans lequel la membrane PTFE supérieure est chargée négativement, sous pression acoustique. c État séparé, dans lequel les membranes en PTFE supérieure et inférieure sont séparées l'une de l'autre, la différence de potentiel conduit les électrons libres à circuler du sol vers l'électrode d'argent à travers le circuit externe

Conclusions

En résumé, nous démontrons une nouvelle approche pour imiter la fonction de la membrane basilaire dans le cochléaire qui a un effet important de sélectivité en fréquence, en utilisant un capteur à membrane avec la conversion acoustique/électrique basée sur un nanogénérateur triboélectrique. La membrane trapézoïdale en PTFE, recouverte de plusieurs petites électrodes rectangulaires en argent, est le composant principal du capteur acoustique. Les caractéristiques de vibration et la sortie du signal électrique de la membrane trapézoïdale en PTFE ont été mesurées en appliquant des ondes sonores à une certaine fréquence, avec le vibromètre laser Doppler et l'oscilloscope. L'emplacement avec l'amplitude maximale s'est déplacé vers une zone plus étroite de la membrane trapézoïdale en PTFE à mesure que la fréquence augmentait. Par ce moyen, le capteur pourrait réaliser la fonction de sélectivité de fréquence. De plus, une simulation par éléments finis a été réalisée avec le COMSOL pour montrer que la relation entre l'amplitude de la membrane trapézoïdale en PTFE et l'onde acoustique entrante correspond aux résultats expérimentaux. Le capteur acoustique à membrane démontre une méthode nouvelle et efficace pour résoudre la perte auditive neurosensorielle à faible coût et offre une alternative au traitement de la surdité par nanogénérateur triboélectrique.

Abréviations

LDV :

Système de mesure par vibromètre laser Doppler (LDV)

MP :

Membrane en polytétrafluoroéthylène

PTFE :

Polytétrafluoroéthylène

TENG :

Nanogénérateur triboélectrique