طراحی یک حسگر جرم الکترواستاتیکی مبتنی بر میکروسیالات پوشیدنی جهت تجزیه و تحلیل تعرق در ورزشکاران
الموضوعات : پژوهش های کاربردی در علوم ورزشی و سلامترضا حاجی آقایی وفایی 1 , مهناز مهدی‌پور 2
1 - گروه الکترونیک، دانشکده برق، دانشگاه بناب، بناب، ایران
2 - گروه الکترونیک، دانشکده برق، دانشگاه بناب، بناب، ایران
الکلمات المفتاحية: حسگر جرم, میکروسیالات پوشیدنی, تعرق, صنعت ورزش, تشخیص سلامت.,
ملخص المقالة :
امروزه استفاده از حسگرهای قابل پوشیدن به طور وسیعی در زمینه پایش تعرق و تشخیص سلامت به کار می‌رود. در این مقاله یک حسگر جرم متشکل از محرک‌های الکترواستاتیکی شانه‌ای هم‌فاز و ناحیه فعال ارائه شده که می‌تواند برای کاربردهای میکروسیالاتی مبتنی بر الکتروخیسی بکار گرفته 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 بر پایه پدیده الکتروخیسی در نزدیکی حسگر استفاده می‌شود که با قرار گرفتن ذرات بر روی حسگر، جرم کل سیستم تغییر پیدا کرده و در نهایت فرکانس نوسانات کاهش پیدا می‌کند. شبیه‌سازی‌های ساختاری حسگر پیشنهادی با نرم‌افزار اجزای محدود انجام شده است. با در نظرگرفتن اثرات میرایی چسبندگی و صرف‌نظر از اثرات سایر منابع میرایی ازجمله آنکورها، نتایج شبیه‌سازی‌ها نشانگر آن است 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.
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), p. 035007.
Atalay, Y.T., Vermeir, S., Witters, D., Vergauwe, N., Verbruggen, B. & et al. (2011). Microfluidic analytical systems for food analysis. Trends in food science & technology, 22(7), p. 386-404.
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), p. 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), p. 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), p. 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), p. 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), p. 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), p. 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), p.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.
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.
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, no. 168, p. 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), p.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), p. 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), p. 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), p. 848-860.
Seo, J.H. & Brand, O. (2005). Novel high Q-factor resonant microsensor platform for chemical and biological applications. In: The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005. Digest of Technical Papers.
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), p. 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), p. 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), p. 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), p. 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), p. 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), p. 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).
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), p. 367-374.
