Reka bentuk dan fabrikasi sensor tekanan lc-mems berasaskan membran pmma-grafin

Abstract

Keperluan untuk pengesanan tekanan tanpa wayar, berskala kecil, ringan dan berprestasi tinggi telah mendorong penyelidikan semasa untuk menumpukan perhatian pada peranti sensor tekanan sistem mikro-elektro-mekanikal (MEMS). Pada masa kini, pembangunan sensor tekanan induktif-kapasitif (LC) MEMS merupakan bidang kajian yang semakin penting terutama dalam bidang bio perubatan. Reka bentuk sensor tekanan LC-MEMS yang mempunyai prestasi sensitiviti serta faktor kualiti yang tinggi menjadi cabaran besar bagi penyelidik MEMS dan masih berada dalam proses kajian yang berterusan. Bahan konvensional jenis silikon atau logam yang sering dijadikan sebagai membran sensor tekanan MEMS masih merekodkan prestasi sensitiviti yang rendah. Oleh sebab itu, kajian ini membangunkan sensor tekanan LC-MEMS dengan mengaplikasikan sensor tekanan berasaskan membran PMMA berlapisan grafin (PMMA/Gr) sebagai kapasitor dan gegelung mikro bersatah sebagai induktor. Penggunaan bahan jenis (PMMA/Gr) ini dapat meningkatkan sensitiviti sensor yang sesuai untuk pengukuran tekanan berskala rendah bagi aplikasi bio perubatan. Sensor tekanan kapasitif dimodel dan disimulasi menggunakan perisian COMSOL Multiphysics, manakala gegelung mikro dimodel dan disimulasi menggunakan perisian Teknologi Simulasi Komputer (CST). Proses pengoptimuman sensor tekanan LCMEMS dilaksanakan dengan kaedah reka bentuk eksperimen (DOE). Proses fabrikasi sensor tekanan LC-MEMS diaplikasikan menggunakan teknologi fabrikasi MEMS dan pencirian membran (PMMA/Gr) terampai dilaksanakan dengan mengaplikasikan ujian pelekukan nano untuk mengkaji sifat mekanikal. Hasil simulasi dan pengoptimuman sensor tekanan LC-MEMS berasaskan membran (PMMA/Gr) menunjukkan prestasi yang tinggi dari segi sensitiviti dan faktor kualiti dengan masing-masing bernilai 115.2 kHz/mmHg dan 75.5. Parameter geometri yang dicadangkan melalui proses pengoptimuman memenuhi syarat-syarat spesifikasi reka bentuk sensor yang telah ditetapkan untuk aplikasi bio perubatan khusus untuk pengesanan tekanan dalam pundi kencing. Peratus ralat sisihan yang kecil daripada keputusan pengoptimuman dan proses pengesahan simulasi membuktikan bahawa kaedah pengoptimuman yang dibangunkan sesuai untuk aplikasi dalam reka bentuk sensor tekanan LC-MEMS. Analisis ujian pelekukan nano ke atas sensor tekanan membran (PMMA/Gr) yang difabrikasi mendapati nilai tegasan tegangan membran dicatatkan sebanyak 0.58 MPa yang merupakan antara nilai terendah berbanding jenis bahan membran lain. Ini mendorong peningkatan sensitiviti mekanikal membran (PMMA/Gr), menjadi kira-kira 0.15 nm/Pa, yang menunjukkan peningkatan sensitiviti yang signifikan berbanding membran konvensional biasa, sekaligus membuktikan membran ini sesuai diaplikasikan sebagai membran sensor tekanan MEMS bersensitiviti tinggi. Hasil ujian sensor tekanan LCMEMS yang difabrikasi mendapati nilai kapasitans berubah daripada 1.64 pF hingga 12.32 pF dengan perubahan tekanan daripada 0~5 psi. Variasi kapasitans ini menyebabkan frekuensi tindak balas berubah daripada 28.74 MHz hingga 78.76 MHz. Sensitiviti sensor yang tinggi dicatatkan pada nilai 193.45 kHz/mmHg dengan faktor kualiti 21 pada frekuensi operasi 78.76 MHz. Kesimpulan kajian ini ialah sensor tekanan LC-MEMS berasaskan membran (PMMA/Gr) berjaya direka bentuk dan difabrikasi serta menunjukkan potensi yang baik untuk aplikasi sensor bio perubatan khususnya untuk pengesanan tekanan dalam pundi kencing.