بررسی تاثیر ضخامت و فشار در دیافراگم های میکرو الکترو مکانیکی در میزان جابجائی در کاربردهای پزشکی

الموضوعات :

نازلی زرگرپورفردین ¹ (مربی، واحد ایلخچی، دانشگاه آزاد اسلامی، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، ایلخچی، ایران.)

تاريخ الإرسال : 19 الأحد , جمادى الأولى, 1437 تاريخ التأكيد : 13 الأحد , جمادى الثانية, 1438 تاريخ الإصدار : 09 الجمعة , شعبان, 1438

الکلمات المفتاحية: سیستم میکروالکترومکانیکی (MEMS), دیافراگم, جابجائی, ماده پیزوالکتریک, COMSOL,

ملخص المقالة :

در این مقاله، تاثیر پارامترهای طراحی در دیافراگم بر روی حساسیت میکروفن به منظور استفاده در کاربردهای پزشکی قابل کاشت ارائه گردیده است. پارامترهای متفاوتی از دیافراگم همچون شکل، ابعاد، ضخامت و فشارهای اعمالی مختلف بر روی دیافراگم در نظر گرفته شده‌است. تاثیر تغییرات در این پارامترها بر روی میزان جابجائی و استرس در انواع شکل دیافراگم ها‌ مورد بحث و بررسی واقع شده است. به منظور طراحی بهینه، انواع شکل دیافراگم های پیشنهادی، از جهت پارامترهای در نظر گرفته شده در نرم افزار COMSOL شبیه سازی و آنالیز شده اند. با توجه به پارامترهای مورد بررسی، انواع اشکال دیافراگم مربعی، مستطیلی و بیضوی شکل با توجه به شرایط در نظر گرفته شده، دارای میانگین جابجائی مرکزی در محدوده فرکانس شنوائی انسان 20Hz-20KHz به ترتیب nm2. 6 ، nm 5. 5 و nm 130می باشد. نتایج حاصل از شبیه سازی ها بدین صورت می باشد که دیافراگم بیضوی شکل نسبت به اشکال دیگر مورد بررسی در این مقاله، برای کاربردهای پزشکی و امکان کاشته شدن، دارای کارائی بهینه و مطلوبی می باشد. به علاوه، ماده ی پیزوالکتریک مورد استفاده در طراحی دیافراگم PZT است.

المصادر:

[1] R.J. Littrell, “High performance piezoelectric MEMS microphones”, Ph.D. dissertation, The University of Michigan, 2010.

[2] D.R. Dixon, “Mems microphones break design mould”, April 2006.

[3] J. Bouchaud, “Mems microphones make noise”, Jan. 2012.

[4] I.J. Cho, S. Jang, H.J. Nam, “A piezoelectrically actuated mems speaker with polyimide membrane and thin film pb(zr,ti)o3(pzt) actuator”, Integrated Ferroelectrics, Vol. 105, No. 1, pp. 27–36, 2009.

[5] M.C. Cheng, W.S. Huang, S.R.S. Huang, “A silicon microspeaker for hearing instruments”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 14, No. 7, pp. 859-866, May 2004.

[6] H. Kim, A. Astle, K. Najafi, L. Bernal, P. Washabaugh, F. Cheng, “Bi-directional electrostatic microspeaker with two large-deflection flexible membranes actuated by single/dual electrodes”, Proceeding of the IEEE/ICSENS, pp. 89-92, Irvine, CA, USA, Nov. 2005.

[7] H. J. Kim, K. Koo, S.Q. Lee, K.H. Park, J. Kim, “High performance piezoelectric microspeakers and thin speaker array system”, ETRI Journal, Vol. 31, No. 6, pp. 680–687, Dec. 2009.

[8] G. Lemarquand, R. Ravaud, I. Shahosseini, V. Lemarquand, J. Moulin, E. Lefeuvre, “Memselectrodynamic loudspeakers for mobile phones”, Applied Acoustics, Vol. 73, No. 4, pp. 379 -385, April 2012.

[9] Y.J. Chang, Y.W. Chung, T.A. Chou, M.F. Huang, “Valve-less diaphragm micropump with electromagnetic actuation”, Advanced Materials Research, Vol. 647, pp. 929–934, Jan. 2013.

[10] S.S. Je, F. Rivas, R.E. Diaz, J. Kwon, J. Kim, B. Bakkaloglu, S. Kiaei, J. Chae, “A compact and low-cost MEMS loudspeaker for digital hearing aids”, IEEE Trans. on Biomedical Circuits and Systems, Vol. 3, No. 5, pp. 348-358, Oct. 2009.

[11] S. Kim, X. Zhang, R. Daugherty, E. Lee, G. Kunnen, D. Allee, E. Forsythe, J. Chae, “Microelectromechanical systems (mems) based-ultrasonic electrostatic actuators on a flexible substrate”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 33, No. 7, pp. 1072 –1074, July 2012.

[12] P. Rangsten, L. Smith, L. Rosengren, B. Hok. “Electrostatically excited diaphragm driven as a loudspeaker”, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 52, pp. 211–215, 1996.

[13] P. Scheeper, A.D. Van der, W. Olthuis, P. Bergveld, “A review of silicon microphones”, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 44, No. 1, pp. 1–11, 1994.

[14] W.S. Lee, S.S. Lee, “Piezoelectric microphone built on circular diaphragm”, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 144, No. 2, pp. 367-373, June 2008.

[15] H. Bruhns, A. Marianovich, M. Wolff, “Photoacoustic spectroscopy using a MEMS microphone with inter-IC sound digital output”, International Journal of Thermophysics, Vol. 35, No. 12, pp. 2292–2301, Dec. 2014.

[16] C. Han, E. Kim, “Fabrication of dome-shaped diaphragm with circular clamped boundary on silicon substrate”, in Proc. IEEE Conference MEMS, pp. 505–510, Jan. 1999.

[17] S.H. Yi, E.S. Kim, “Piezoelectric Micro-speaker with Compressive Nitride Diaphragm”, IEEE International Micro Electro Mechanical Systems Conference, pp. 260-263, Jan. 2002.

[18] M. Niu, E.S. Kim, “Piezoelectric bimorph microphone built onmicromachinedparylene diaphragm”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 12, No. 6, pp. 892-898, Dec. 2003.

[19] S.C. Ko, Y.C. Kim, S.S. Lee, S.H. Choi, S.R. Kim, “Micromachined piezoelectricmembrane acoustic device”, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 103, No. 1-2, pp. 130–134, Jan. 2003.

[20] J.W. Judy, “Microelectromechanical systems (MEMS): fabrication, design and applications”, Smart Materials and Structures,Vol. 10, No. 6, pp. 1115–1134, Nov. 2001.

[21] D.T. Blackstock, “Fundamentals of physical acoustics”, California: John Wiley & Sons, Inc, Ch. 4, 14, 2000.

[22] N. Zargarpour, M.H. Zarifi, “A piezoelectric micro-electromechanical microphone for implantable hearing aid applications”, Berlin Heidelberg, Vol. 21, No. 4, pp. 893-902, April 2014.

[23] S.N. Laboratories, A. Sandia, “MEMS advanced design short course notes”, National Laboratories, NM, pp. 5-21, July 2002.

[24] J.J. Sneigowski, M.S. Rodgers, “Multi-layer enhancement to polysilicon surface micromachining technology”, International Electron Devices Meeting, pp. 903-906, Dec. 1997.

[25] S. Timoshenko, S.W. Krieger, “Theory of plates and shells”, McGraw-Hill, New York, pp. 396–404, 1959.

[26] N. Zargarpour, M. Zarifi, “Proposing a new design for micro­electromechanical microphone’s diaphragm in implantable hearing aid”, Proceeding of the National Conf. on Computer and Intelligent Systems. Iran-Tabriz, 2013.

[27] P. DahaleKetaki, M. RasalSuyog, “An aid hearing for stone deaf person”, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), Vol. 4, No. 4, pp. 1544-1552, 2012.

[28] T.Y. Cheng, “The sensitivity analysis of a MEMS microphone with different membrane diameters”, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 18, No. 6, pp. 790-796 , Dec. 2010.