Development of a capacitive transducer for a fully implantable middle ear microphone

Abstract

Cochleaimplantate stellen einen wichtigen Beitrag zur Behandlung von Hörschäden dar. Diese Geräte ersetzen die Funktion des Innenohrs, indem sie mittels einer Elektrode direkt Impulse an den Hörnerv senden.<br />Bei heutigen Implantaten werden jedoch auch die Funktion des Außenohrs umgangen. Die natürlichen Richtungsortungs- und Hintergrundgeräuchsfilterungsmechanismen können daher nicht genutzt werden.<br />In dieser Arbeit werden zwei Prototypen für ein vollimplantierbares Mittelohrmikrofon vorgestellt, welche die Filtermechanismen nutzen können. Das Mikrofon soll auf einem der Gehörknöchelchen befestigt werden und die Knochenschwingungen messen. Aus dieser Information kann dann auf das entsprechende Schallsignal am Trommelfell geschlossen werden. Prototyp I basiert auf einem klassischen Design für kapazitive Sensoren.<br />Systemparameter, wie zum Beispiel die Eigenfrequenz des Wandlers, wurden auf die Bedürfnisse eines Mittelohrimplantats abgestimmt. Mit diesem Prototyp ist die Messung des Lautstärkelevels 40 phon möglich. Dies entspricht der unteren Schwelle der menschlichen Sprache.<br />Prototyp II nutzt eine neuartige Idee zur Steigerung der Sensitivität.<br />Der Wandler wird in einem für die Produktion vorteilhaften Zustand hergestellt und anschließend in einen Betriebszustand überführt, welcher durch eine stark erhöhte Sensitivität charkterisiert ist. Mit Testchips konnte die Überführung in den Betriebszustand, als auch die erhöhte Sensitivität demonstriert werden. Trotz kleiner Auslesespanungen von 0,3 V war die Messung einer Relativbewegung von 0,1 nm bei einer Bandbreite von 100 Hz möglich.<br />Bei Nutzung von modernen Produktionsprozessen kann die Sensitivität beider Sensortypen enorm gesteigert werden, so dass der Lautstärkelevel 30 phon gemessen werden kann. Vor allem Prototyp II eignet sich als vollimplantierbares Mittelohrmikrofon, da dieser mit entsprechender Produktionstechnologie sensitiver ist, obwohl weniger Chipfläche belegt wird.<br />

Cochlear implants are an important contribution for the treatment of hearing impairments. These devices mimic the functions of the ear. For this purpose, an electrode is placed in the inner ear sending electrical impulses to the hearing nerve. Unfortunately, state-of-the-art devices circumvent the outer and the middle ear.<br />Because of that, natural direction detection mechanisms and noise filters are inoperable.<br />This thesis presents two fully implantable middle ear microphone prototypes that utilize the natural mechanism of the outer and middle ear. These microphones are designed to be fixed to one of the ossicles in order to measure the ossicle vibration. Using this information, the sound reaching the eardrum can be calculated.<br />The first prototype is based on a classical capacitive transducer design approach. System parameters, e.g., the first natural frequency, were tailored to fulfill the demands of an implantable middle ear microphone.<br />The resulting manufactured test samples are capable of measuring the loudness level of 40\,phon, which is equivalent to the lower threshold of speech. The second prototype, which was also manufactured in the course of this thesis, uses a new approach for enhancing the transducer sensitivity.<br />For this reason, the capacitive transducer is designed with parameters that are easy to manufacture. After production, the prototype is transferred into an operational state being characterized by a high sensitivity. Manufactured samples proved this concept by measuring a relative deflection of 0.1 nm, even though small read-out voltages were used.<br />A deep reactive ion etching process with an aspect ratio of 1:10 was used for manufacturing both prototypes. If the same designs were manufactured with an increased aspect ratio, measurements of a loudness level of 30 phon would be possible. However, the second prototype is better suited for a fully implantable microphone as the sensitivity is superior to the first prototype. Only by applying the design of the second prototype, a very small and lightweight implantable microphone can be produced.