Proiect Mems Ditu Irina Smim 9mf292 [611823]

PROIECT DE SEMESTRU LA DISCIPLINA

Sistemele Micro -Electro -Mecanice (MEMS)

Determinarea densității oaselor cu ajutorului
senzorului piezo electric MiniSense100

Student: [anonimizat]: 9MF292

BRAȘOV, 2020

2
Cuprins

1. Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 3
2. Senzorii PIEZO ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 4
2.1. Descriere ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 4
2.2. Piezo -film ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 4
3. Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 11

3
1. Introducere

Piezoelectricitatea, în limba greacă electricitate „sub presiune”, a fost descoperită de
frații Curie în urmă cu mai bine de 100 de ani. Ei au descoperit că cuarțul și -a schimbat
dimensiunile atunci când este supus unui câmp electric și, invers, a generat sarcină electrică
atunci când a fost deformată mecanic. Una dintre primele aplicații practice ale tehnologiei a fost
realizată în anii 1920 de către un alt francez, Langevin, care a dezvoltat un emițător și receptor
de cuarț pentru sunet subacvatic – primu l SONAR. Înainte de al doilea război mondial,
cercetătorii au descoperit că anumite materiale ceramice puteau fi fabricate piezoelectrice
atunci când sunt supuse unei tensiuni de polarizare ridicate, un proces analog cu magnetizarea
unui material feroz . [1]
Corpul și dispozitivele medicale care le sprijină se bazează pe lichidele care să curgă
continuu fără întrerupere. Pompele de infuzie, hemodializa și aplicațiile de monitorizare a
fluxului de sânge sunt tehnologii vitale pentru supraviețuirea anumitor af ecțiuni medicale.
Senzorii sunt încorporați în diferite aplicații de pompare și debit pentru a confirma debitul
continuu și precis, detecta ocluzia, detectează extern bule în linii și măsoară nivelurile de lichid.
[2]
Două materiale de detecție principale utilizate pentru senzorii piezoelectrici sunt
ceramica piezoelectrică (cum ar fi ceramica PZT) și materialele cu un singur cristal (cum ar fi
cuarțul). Sensibilitatea materialelor ceramice este mai mare decât cea a mat erialelor naturale cu
un singur cristal, dar sensibilitatea ridicată a acestora se degradează în timp. Materialele
monocristale naturale (cuarț, fosfat de galiu, turmalină, etc.) sunt mai puțin sensibile, dar au o
stabilitate mai mare. În Figura 1 este pre zentat un senzor piezoelectric de cuarț disponibil în
mod obișnuit (fără carcasă).

Figura 1 Senzor Piezo electric [4]

4
2. Senzorii piezoelectrici

2.1. Descriere

Senzorii Piezo au fost utilizați în determinarea răspunsului dinamic al straturilor s -sticlă /
epoxidice și epruvete de aluminiu. Ecuațiile simple ale senzorului de tip fascicul și placă au fost
obținute pe baza teoriei plăcilor clasice care încorporează relația constitutivă piezoelastică
liniară. O serie de teste de vibrație și impact au fost efectuate pent ru determinarea răspunsului
dinamic structural. Senzorii cu film piezo, cu o grosime și o suprafață de 110 μm și, respectiv, 1
× 1 cm2, au fost conecta ți direct la un dispozitiv de măsurare a tensiunii în aceste teste. Au fost
examinate primele trei frecve nțe de îndoire ale epruvetelor de plastic cu armătură din fibră de
sticlă (GFRP). Rezultatele experimentale și cele simulate de codul cu element finit MARC s -au
dovedit a fi de acord, diferența dintre cele două fiind mai mică de cinci la sută. La frecvențe
peste 3 kHz, traductoarele piezo sunt capabile să detecteze îndeaproape răspunsul structural
structural în absența amplificării sarcinii. Cu toate acestea, la frecvențe mai mici de aproximativ
3 kHz, tensiunea măsurată direct de la un senzor piezo subesti mează răspunsul structural.
Astfel, se propune o ecuație modificată a senzorului piezo pentru măsurători de frecvență mai
mică. Efectul frecvenței și dimensiunea piezo ului asupra atenuării frecvențelor inferioare este
explicit formulat pe baza unei analogi i simple a circuitului RC . [3]
Senzor piezo -legat direct, utilizat în mod convențional în tehnica impedanței
electromecanice (EMI), deși un candidat dovedit pentru monitorizarea sănătății structurale, este
restricționat sever în aplicarea sa în domeniul bi omedical datorită cerinței sale de legare.

2.2. Piezo -film

Materialele traductoare transformă o formă de energie în alta și sunt utilizate pe scară
largă în aplicațiile de detectare. Creșterea extraordinară a utilizării microprocesoarelor a
propulsat cererea de senzori în aplicații diverse. Astăzi, senzorii de polimer PIEZOELECTRIC sunt
printre cele mai rapide creșteri ale tehnologiilor de pe piața mondială de senzori de 18 miliarde
de dolari. Ca orice tehnologie nouă, au existat un număr extraordinar de aplicații în care „PIEZO
FILM” a fost luată în considerare pentru soluția de senzori . În cei 20 de ani de la descoperirea
polimerului piezoelectric, tehnologia s -a maturizat, aplicațiile practice au apărut dintr -o lungă
listă de posibilități, iar ritmul de comercializare a tehnologiei este accelerat.

5
Aceste documente oferă o imagine de an samblu a tehnologiei și nomenclaturii
piezoelectrice, a proprietăților sale și a considerațiilor de proiectare a senzorilor. De asemenea,
explorează o serie de aplicații pentru senzori care au fost dezvoltate cu succes în ultimii ani. [1]

Piezo -film este constituit dintr -un plastic flexibil și ușor, dar totuși dur, special creat
pentru utilizare în inginerie, disponibil într -o mare varietate de grosimi. Proprietățile sale de
traductor includ:
 Domeniu larg de frecvență – 0,001 Hz până la 109 Hz.
 Vastă gam ă dinamică (10 -8 până la 106 psi sau µ torr până la Mbar).
 Impedanță acustică scăzută – se potrivesc cu apa, țesutul uman și sistemele de
adeziv.
 Conformitate elastică ridicată
 Putere de înaltă tensiune – de 10 ori mai mare decât ceramica piezo pentru
acee ași forță de intrare.
 Rezistență dielectrică ridicată – rezistență la câmpuri puternice (75V / µm) unde
se depolarizează majoritatea ceramicii piezo.
 Rezistență mecanică ridicată și rezistență la impact (109 -1010 modulul Pascal).
 Stabilitate ridicată – rezistență la umiditate (<0,02% absorbție de umiditate),
majoritatea substanțelor chimice, oxidanților și radiațiilor nucleare ultraviolete și
nucleare intense.
 Poate fi fabricat în modele neobișnuite.
 Poate fi lipit cu adezivi comerciali. [1]

Figura 2 Senzor piezo -film [5]

6

Figura 3 Tabelul proprietăților definitorii ale senzorului Piezo -film [1]

7
2.3. Senzorul MiniSense 100

Minisense 10 0 este un senzor de vibrații cu costuri reduse , capabil de a oferi o
sensibilitate ridicată la frecvențe joase.
În figura 4 se reg ăsesc dimensiunile senzorului de vibrații, a tât în vedere din față, cât și în
vedere din lateral.

Figura 4 Desenul tehnic al senzorului MiniSense 100 [8]

MiniSense 100 acționează ca un accelerometru cu fascicul rabatabil. Când fasciculu l este
montat pe orizontală, accelerația în plan vertical creează îndoirea în fascicul, datorită inerției
masei în vârful fasciculului. Forța în fascicul creează un răspuns piezoelectric, care poate fi
detectat ca o încărcare sau o ieșire de tensiune în el ectrozii senzorului. Senzorul poate fi utilizat
pentru a detecta vibrații sau impacturi continue sau impulsive. Pentru frecvențele de excitație
sub frecvența rezonantă a senzorului, dispozitivul produce o ieșire liniară guvernată de
sensibilitatea „de bază ”. Sensibilitatea la rezonanță este semnificativ mai mare. Impacturile care
conțin componente de înaltă frecvență vor excita frecvența de rezonanță, așa cum se arată în
graficul de mai sus (răspunsul MiniSense 100 la un singur impuls sem i-sinusoidal la 100 Hz, cu
o amplitudine de 0,9 g). Capacitatea senzorului de a detecta mișcări de joasă frecvență este
puternic influențată de circuitul electric extern . [8]
MiniSense 100 se comportă electric ca un condensator „activ”: poate fi modelat ca o
sursă de tensiune perfectă (tensiune proporțională cu accelerația aplicată) în serie, cu

8
capacitatea dis pozitivului . Orice rezistență externă de intrare sau de încărcare va forma un filtru
de trecere mare, cu o frecvență de rulare, așa cum poate fi calculată din formula
f (c) = 1 / (2πRC).
Impedanța senzorului este de aproximativ 650 M ohm la 1 Hz. Elementul senzor activ
este ecranat electric . [8]
Sensibilitatea Minisense 100 urmează o lege cosinusă, atunci când este rotită orizontal
în jurul axei sale, sau vertical în jurul punctului său central. La 90 de grade de rotație în oricare
plan, atât sensibilitatea de bază, cât și sensibilitatea la rezonanță sunt minime. În teorie,
sensibilitatea ar trebui să fie zero în această condiție. Este probab il să fie observată o anumită
sensibilitate în jurul frecvenței de rezonanță – dar acest lucru poate fi imprevizibil și este
probabil să fie de cel puțin -16 dB cu referire la răspunsul pe ax ă. [8]

Graficele de mai jos arată schimbarea de sensibilitate observată pentru oricare dintre:
1) Rotire în jurul axei majore a elementului senzor
2) Rotire în jurul punctului mijlociu al elementului senzor.

Figura 5 Rotire în jurul axei majore a elementului senzor [8]

Figura 6 Rotire în jurul punctului mijlociu al elementului senzor [8]

9
3. Densitatea oaselor

Osul este un țesut act iv care suferă o remodelare continuă, procesul de înlocuire a
țesuturilor osoase vechi cu țesuturi noi. Activitatea osteoclastelor (resorbția osoasă) și a
osteoblastei (formarea oaselor) sunt responsabile d e acest proces . În perioada copilăriei și a
vârstei timpurii a vârstei adulte, formarea oaselor domină, astfel încât oasele devin mai dense,
mai grele și mai mari. Această a cțiune continuă până la vârsta de 30 de ani, când oasele ating
densitatea și puterea lor maximă . În condiț ii normale, resorbția și formarea oaselor sunt cuplate
între ele pentru a oferi un echilibru în metabolismul sch eletului și cifra de afaceri . Starea de
sănătate a oaselor rămâne destul de stabilă în vârstele de 30 -45 de ani, în funcție de stilul de
viață, dar la vârsta ulterioară , procesul de resorbție osoasă începe să depășească rata de
formare a osului, cauzând astfel o pierdere a densității osoase . Deteriorarea microarhitecturii
care duce la fracturi și osteoporoză. Os teoporoza este una dintre cele mai frecvente boli ale
lumii, ceea ce duce la ca oasele să devină poroase și fragile . La femei, pierderea osoasă este
relativ mai rapidă în primii ani după menopauză . Osteoporoza afectează ambele sexe, dar
femeile r iscă mai mult să o dezvolte. Statistic vorbind, una din trei femei și unul din cinci bărbați,
cu vârsta peste 50 de ani, suferă fracturi osteoporotice în viața lor . Prin urmare, aceasta b oala
este o problema grava de s ănătate public ă pentru femeile a flate la menopauz ă și persoanele în
vârstă. Hormonul feminin, estrogenul, este esențial pentru a avea oase sănătoase. După
menopauză, nivelul acestui hormon scade și acest lucru poate duce la o scăder e rapidă a
densității osoase . Odată cu evoluția crescândă a populației și creșterea costurilor de asistență
medicală, monitorizarea ieftină prognostică și diagnostică a proceselor de modelare și
remodelare osoasă la persoanele în vârstă este de cea mai mare importanță. [6]
Metodele radiografice convenționale permit medicilor să vizualizeze structura osoasă. Cu
toate acestea, acestea nu oferă informații despre densitatea minera lă osoasă , care poate
facilita diagnosticul precoce și tratamentul osteoporozei. Densitometria osoasă, prin contrast,
ajută la detectarea pierderilor de minerale osoase într -un stadiu incipient, deoarece asigură
măsurarea cantitativă precisă a densității minerale osoase . [7]

10
4. Determinarea densității oas oase

Senzorul piezo -film poate fi optimizat pentru a controla puterea semnalului de ieșire prin
schimbarea zonei de detectare, numărul de electrozi interdigitali și distanțarea dintre electrozi
pentru a tra nsporta informații utile , în timp ce semnal ul iese din proba biologică . Capacitatea de
a fi utilizat pentru testarea nedistructivă este un alt avantaj al acestor senzori, ceea ce îi face
mai utili și pentru aplicațiile de contr ol al proceselor .
Câmpul electric alternativ pătrunde prin proba de testare prin intermediul electrodului de
excitație și este primit de electrodul senzor care transportă informații utile despre proprietățile
materialului supus încercării în imediata apropi ere a senzorului. [6]

11
5. Bibliografie

[1] Measurement Specialties, Inc. Sensor Products Division, Piezo Film Sensors – Technical
Manual, P/N 1005663 -1 REV B 02 APR 99
[2] Sensors, TE CONNECTIVITY, SS -TS-MED102 12/2018
[3] S.T. Jenq and C.K. Chang, „Characterization of piezo -film sensors for direct vibration and
impact measurements”, Experimental Mechanics 35(3):224 232, September 1995
[4] ***, https://www.electronicsforu.com/resources/learn -electronics/piezoelectric -sensor –
basics , accesat în data de 03.05.2020
[5] ***, https://www.robotshop.com/en/gravity -flexible -piezo -film-vibration -sensor.html ,
accesat în data de 3.05.2020
[6] Vittorio M. N. Passar o, ” Smart Sensing System for the Prognostic Monitoring of Bone
Health” ”Sensors”, ISSN 1424 -8220
[7] Kirsten Bouchelouche, MD, DMSc, M. Michael Sathekg e, Seminars in Nulear Medicine,
”Bone Densitometry ”, Volume 41, Issue 3 , May 201 1, Pages 220 -228
[8] ***, https://www.sparkfun.com/datas heets/Sensors/Flex/MiniSense_100.pdf , ” MiniSense
100 Vibration Sensor ” accesat în data de 5.05.2020
[9]