Entwurf und Fertigung eines piezoelektrischen Schallwandlers für ein implantierbares Hörgerät

In Europa leiden ca. 40% der über 65-jährigen an einer altersbedingten Schwerhörigkeit, die in der Regel mit konventionellen Hörgeräten versorgt werden kann. Ins Mittelohr implantierbare Hörgeräte (aktive Mittelohrimplantate) übertragen Schallschwingungen mechanisch auf die Gehörknöchelchen und können höhere Verstärkungen und eine bessere Klangqualität als konventionelle Systeme erreichen. Demgegenüber steht der Nachteil einer aufwändigen Implantation. Dies hat zur Folge, dass bisher vergleichsweise wenige Patienten mit aktiven Implantaten versorgt werden. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Verbundprojektes untersucht ein Konsortium aus Firmen und Forschungseinrichtungen unter der Leitung der Universitätsklinik Tübingen ein neuartiges Konzept für ein implantierbares Hörgerät, das sogenannte Rundfensterimplantat. Dabei sorgt ein vor dem runden Fenster des Mittelohrs implantierbarer piezoelektrischer Schallwandler für die Verstärkung des am Ohr eintreffenden Schalls und ermöglicht behandelten Patienten ein verbessertes Hören. Der piezoelektrische Schallwandler stellt ein klassisches mikro-elektromechanisches System (MEMS) dar, und wird in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Aufbauend auf einer Analyse der Anforderungen an den Schallwandler wird ein geschlitztes Monomorphaktorelement mit piezoelektrischer Dünnschicht als Teil eines Lösungskonzepts vorgestellt. Eine analytische Beschreibung des elektromechanischen Verhaltens des Aktorelements sowie eine parallel angefertigte FEM-Simulation liefern wichtige Hinweise zur Auslegung des Systems (Kapitel 4). Die lastfreie statische Biegeauslenkung, die verfügbare Aktorkraft sowie die Resonanzfrequenz des Schallwandlers stehen im Mittelpunkt der Berechnungen. Insgesamt zeigen das analytische und das FEM-Modell gute Übereinstimmung der errechneten Werte. Die Herstellung der ersten Generation von Schallwandlerelementen durch das Laboratoire Céramique der Ecole Polytechnique Féderale de Lausanne (EPFL) sowie deren Charakterisierung ist in Kapitel 5 beschrieben. Die gemessene lastfreie Biegeauslenkung des Aktorelements liegt bei einer elektrischen Spannung von 1,3 Vp bei 1,6 µmp. Für die Anwendung in einem implantierbaren Hörgerät muss vor allem die Aktorkraft gesteigert werden. Die Realisierung einer Multimorphstruktur und die mechanische Kopplung mehrerer gestapelter Aktorelemente sind die Ansätze, die diesbezüglich vom Forschungskonsortium in künftigen Arbeiten untersucht werden.