طراحی یک حسگر جرم مبتنی بر میکروسیالات پوشیدنی جهت آنالیز تعرق در ورزشکاران
محورهای موضوعی : علوم ورزشی و سلامترضا حاجی آقایی وفایی 1 , مهناز مهدی‌پور 2 , سبحان شیخی وند 3 , صیاد نوجوان 4 *
1 - 1- دانشیار، گروه الکترونیک، دانشکده برق، دانشگاه بناب، بناب، ایران، reza.vafaie@ubonab.ac.ir
2 - 2- پژوهشگر پسادکتری، گروه الکترونیک، دانشکده برق، دانشگاه بناب، بناب، ایران، m.mehdipoor@ubonab.ac.ir
3 - دانشگاه بناب
4 - دانشیار، گروه مهندسی برق، دانشکده برق، دانشگاه بناب، بناب، ایران
کلید واژه: حسگر جرم, میکروسیالات پوشیدنی, تعرق, صنعت ورزش, تشخیص سلامت,
چکیده مقاله :
امروزه استفاده از حسگرهای قابل پوشیدن بطور وسیعی در زمینه مونیتورینگ تعرق و تشخیص سلامت بکار میرود. در این مقاله یک حسگر جرم متشکل از محرک‌های الکترواستاتیکی شانه‌ای همفاز و ناحیه فعال ارایه می‌گردد که می‌تواند برای کاربردهای میکروسیالاتی مبتنی بر الکتروخیسی بکارگرفته شود. محرک‌های الکترواستاتیکی توسط چندین فنر به ناحیه فعال متصل شده که این ناحیه شامل یک نوسانگر دایروی بوده که در قسمت مرکزی حسگر واقع شده و سطح فوقانی آن با لایه طلا پوشانده شده که به منظور به تله انداختن ذرات زیستی بکار میرود. با اعمال ولتاژ به الکترودهای شانه‌ای، کل سیستم به موازات بستر دوران کرده و با کمترین میرایی چسبندگی مواجه است. برای انتقال ذرات زیستی به ناحیه فعال حسگر، از قطره‌های حامل دستکاری شده توسط سیستم میکروسیالاتی و برپایه پدیده الکتروخیسی در نزدیکی حسگر استفاده می‌گردد که با قرار گرفتن ذرات بر روی حسگر جرم کل سیستم تغییر پیدا کرده و در نهایت فرکانس نوسانات کاهش پیدا می‌کند. شبیه سازی‌های ساختاری حسگر پیشنهادی با نرم افزار اجزائ محدود انجام شده است. با در نظرگرفتن اثرات میرایی چسبندگی و صرف نظر از اثرات سایر منابع میرایی از جمله آنکورها، نتایج شبیه سازی‌ها نشانگر آنست که حسگر با فرکانس کاری 73/330 کیلوهرتز در صفحه نوسان کرده و دارای ضریب کیفیت و حساسیت جرمی به ترتیب برابر با 570 و 19 هرتز بر فمتوگرم است.با در نظرگرفتن اثرات میرایی چسبندگی و صرف نظر از اثرات سایر منابع میرایی از جمله آنکورها، نتایج شبیه سازی‌ها نشانگر آنست که حسگر با فرکانس کاری 73/330 کیلوهرتز در
Nowadays wearable sensors have been widely employed in perspiration monitoring and health diagnoses. In this paper, a mass sensor consisting of in-phase comb electrostatic actuators and an active area is presented, which can be used for microfluidic applications based on electrowetting. Rotary electrostatic actuators are connected to the active area by several springs, which made up of a circular resonator located in the central part of the sensor and its upper surface is covered with a gold layer used to trap different biological particles. By applying voltage to the com-drive electrodes, the whole system rotates parallel to the substrate so it faces the lowest viscous damping. To deliver the biological particles to the active area of the sensor, carrier droplets are used that are manipulated by the microfluidic system based on the electrowetting effect near the sensor. As the bioparticles are immobilized on the sensor, the oscillating frequency decreases. 3D structural simulations of the proposed sensor have been done with finite element-based software tools. To study viscous damping and thin film damping effects, the stokes-type model and the couette-type model were applied in the simulations, respectively and the results indicate that the sensor oscillates with a working frequency ofAs the bioparticles are immobilized on the sensor, the oscillating frequency decreases. 3D structural simulations of the proposed sensor have been done with finite element-based software tools. imulations of the proposed sensor have been done with finite element-based software tools. sor have been done with
Alcheikh, N., Kosuru, L., Kazmi, S., & Younis, M. I. (2020). In-plane air damping of micro-and nano-mechanical resonators. Journal of Micromechanics and Microengineering, 30(3), 035007. Atalay, Y. T., Vermeir, S., Witters, D., Vergauwe, N., Verbruggen, B., Verboven, P., . . . Lammertyn, J. (2011). Microfluidic analytical systems for food analysis. Trends in food science & technology, 22(7), 386-404. Beardslee, L., Demirci, K., Luzinova, Y., Su, J., Mizaikoff, B., Heinrich, S., . . . Brand, O. (2010). In-plane mode resonant cantilevers as liquid phase chemical sensors with ppb range limits of detection. Tech. Dig. Solid-State Sens., Actuator Microsyst. Workshop, Hilton Head Island, SC, Beardslee, L. A. (2011). Liquid-phase operation of mems resonators for biochemical sensing in point of care and embedded applications Georgia Institute of Technology]. Beardslee, L. A., Addous, A. M., Heinrich, S., Josse, F., Dufour, I., & Brand, O. (2010). Thermal excitation and piezoresistive detection of cantilever in-plane resonance modes for sensing applications. Journal of Microelectromechanical Systems, 19(4), 1015-1017. Castonguay, F. (2010). Increasing the quality factor of microcantilevers in a fluid environment McGill University Library]. Cox, R., Josse, F., Heinrich, S., Dufour, I., & Brand, O. (2010). Resonant microcantilevers vibrating laterally in viscous liquid media. 2010 IEEE International Frequency Control Symposium, Dittrich, P. S., & Manz, A. (2006). Lab-on-a-chip: microfluidics in drug discovery. Nature reviews Drug discovery, 5(3), 210-218. Eidi, A., Ghavifekr, H. B., & Shamsi, M. (2019). A Novel Biosensor Based on Micromechanical Resonator Array for Lab-On-a-Chip Applications. Sensing and Imaging, 20(1), 1-10. Endo, D., Yabuno, H., Yamamoto, Y., & Matsumoto, S. (2018). Mass sensing in a liquid environment using nonlinear self-excited coupled-microcantilevers. Journal of Microelectromechanical Systems, 27(5), 774-779. Frasconi, M., Mazzei, F., & Ferri, T. (2010). Protein immobilization at gold–thiol surfaces and potential for biosensing. Analytical and bioanalytical chemistry, 398(4), 1545-1564. Ghatkesar, M. K. (2007). Resonating nanomechanical microcantilevers for quantitative biological measurements in liquid University_of_Basel]. Jia, H., & Feng, P. X.-L. (2019). Very high-frequency silicon carbide microdisk resonators with multimode responses in water for particle sensing. Journal of Microelectromechanical Systems, 28(6), 941-953. Keighley, S. D., Li, P., Estrela, P., & Migliorato, P. (2008). Optimization of DNA immobilization on gold electrodes for label-free detection by electrochemical impedance spectroscopy. Biosensors and Bioelectronics, 23(8), 1291-1297. Lobontiu, N. (2014). Dynamics of microelectromechanical systems (Vol. 17). Springer Science & Business Media. Mahajne, S., Guetta, D., Lulinsky, S., Krylov, S., & Linzon, Y. (2014). Liquid mass sensing using resonating microplates under harsh drop and spray conditions. Physics Research International, 2014. Mansoorzare, H., Moradian, S., & Abdolvand, R. (2019). Very high-Q resonant MEMS for liquid-phase bio-sensing. 2019 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and European Frequency and Time Forum (EFTF/IFC), Peiker, P., Klingel, S., Menges, J., Bart, H.-J., & Oesterschulze, E. (2016). A partially wettable micromechanical resonator for chemical-and biosensing in solution. Procedia Engineering, 168, 606-609. Prasad, A., Seshia, A. A., & Charmet, J. (2015). Micromechanical piezoelectric-on-silicon BAW resonators for sensing in liquid environments. 2015 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium & the European Frequency and Time Forum, Qaradaghi, V., Ramezany, A., Babu, S., Lee, J., & Pourkamali, S. (2018). Nanoelectromechanical disk resonators as highly sensitive mass sensors. IEEE Electron Device Letters, 39(11), 1744-1747. Rahafrooz, A., & Pourkamali, S. (2011). Characterization of rotational mode disk resonator quality factors in liquid. 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS) Proceedings, Schmid, A. H., Stanca, S., Thakur, M., Thampi, K. R., & Suri, C. R. (2006). Site-directed antibody immobilization on gold substrate for surface plasmon resonance sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 113(1), 297-303. Schneider, M., Pfusterschmied, G., Patocka, F., & Schmid, U. (2020). High performance piezoelectric AlN MEMS resonators for precise sensing in liquids. Elektrotechnik und Informationstechnik, 137(3), 121-127. Schultz, J. A., Heinrich, S. M., Josse, F., Dufour, I., Nigro, N. J., Beardslee, L. A., & Brand, O. (2014). Lateral-mode vibration of microcantilever-based sensors in viscous fluids using Timoshenko beam theory. Journal of Microelectromechanical Systems, 24(4), 848-860. Seo, J. H., & Brand, O. (2005). Novel high Q-factor resonant microsensor platform for chemical and biological applications. The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005. Digest of Technical Papers. TRANSDUCERS'05., Siepenkoetter, T., Salaj‐Kosla, U., & Magner, E. (2017). The immobilization of fructose dehydrogenase on nanoporous gold electrodes for the detection of fructose. ChemElectroChem, 4(4), 905-912. Singh, A., Glass, N., Tolba, M., Brovko, L., Griffiths, M., & Evoy, S. (2009). Immobilization of bacteriophages on gold surfaces for the specific capture of pathogens. Biosensors and Bioelectronics, 24(12), 3645-3651. Takayama, Y., Perret, G., Kumemura, M., Ataka, M., Meignan, S., Karsten, S. L., . . . Tarhan, M. C. (2018). Developing a MEMS device with built-in microfluidics for biophysical single cell characterization. Micromachines, 9(6), 275. Tong, Z., Shen, C., Li, Q., Yin, H., & Mao, H. (2023). Combining sensors and actuators with electrowetting-on-dielectric (EWOD): advanced digital microfluidic systems for biomedical applications. Analyst, 148(7), 1399-1421. Vančura, C., Dufour, I., Heinrich, S. M., Josse, F., & Hierlemann, A. (2008). Analysis of resonating microcantilevers operating in a viscous liquid environment. Sensors and Actuators A: Physical, 141(1), 43-51. Weng, C.-H., Pillai, G., & Li, S.-S. (2020). A thin-film piezoelectric-on-silicon MEMS oscillator for mass sensing applications. IEEE Sensors Journal, 20(13), 7001-7009. Xu, W., Choi, S., & Chae, J. (2010). A contour-mode film bulk acoustic resonator of high quality factor in a liquid environment for biosensing applications. Applied Physics Letters, 96(5), 053703. Zhang, S., Wang, N., Niu, Y., & Sun, C. (2005). Immobilization of glucose oxidase on gold nanoparticles modified Au electrode for the construction of biosensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 109(2), 367-374.