Geri Dön

Design, analysis, simulation and optimization of a MEMS Lorentz force magnetic field sensor for biosensing of biowarfare agents

Biyolojik savaş ajanlarının tespit uygulamaları için Lorentz kuvveti temelli manyetik alan sensörünün tasarımı, analizi, simülasyon ve optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 507744
  2. Yazar: EMİNE RUMEYSA YILMAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

İnsanlık tarihinde bakteri ve virüslerin biyolojik silah niteliğinde kullanımıyla gerçekleştirilen endişe verici terörist saldırılar küresel kaygılara yol açmış ve hükümetlerin önleyici eylemler almak için bu bakteri ve virüs gibi biyolojik savaş unsurlarını tanımlama, sınıflandırma ve tespit çalışmaları yürütmesini sağlamıştır. Bu nedenle, bu unsurların hızlı tespiti ve kesin olarak tanımlanması, biyo-savunma alanında küresel temel stratejiler olarak tanımlanmıştır. Biyolojik savaş unsurlarının algılanması amacıyla, biyolojik moleküllerin fiziksel olarak yakalanması ve bunların ölçülebilir değerlere dönüştürülmesini sağlayabilecek ve böylece tespitini gerçekleştirebilecek hassas ve optimize ekipman ve sensörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla, hızlı, gerçek zamanlı, uygun maliyetli ve etiketsiz biyomoleküler tanıma yöntemlerine sahip MEMS temelli biyosensörler biyolojik savunma için ümit vaat eden erken uyarı sistemleri olarak ortaya çıkmış ve kütle algılama yoluyla biyolojik parçacıkların tespiti çalışmaları için tercih haline gelmişleridir. Bu bağlamda, MEMS'in disiplinler arası niteliğinden yararlanılarak, Lorentz kuvveti çalışma prensibi, MEMS manyetik alan sensörleri ve BioMEMS mikro-algılayıcı sensörleri gibi çeşitli alanların birleştirilmesi ve sinerjize edilmesi yoluyla biyo-parçacıkların algılaması mümkün kılınmaktadır. Yapılan literatür taramalarında, biyolojik parçacıkların tespitine yönelik Lorentz kuvveti prensibine dayalı olarak salınan mikrokantilever biyosensör çalışmalarının çok az sayıda olduğu saptanmıştır. Bu çalışmaların odak noktalarının konu üzerine simülasyonlardan veya deneysel gösterimlerden oluştuğu ve birkaçının da sensor hassasiyetini artırmak üzere yoğunlaştığı görülmüştür. Bu doğrultuda, sistemin çalışmasını etkileyen sistem parametrelerinin belirlenmesi, bu parametrelerin optimizasyonu ve adım adım ilerleyen bir tasarım algoritmasının oluşturulması üzerine bir çalışma gereksiniminin olduğu belirlenmiş olup konuyla ilgili ihtiyaçları karşılamak amacıyla Lorentz kuvveti tabanlı statik modda çalışan biyolojik parçacıkları taşıyabilecek tasarıma sahip bir MEMS manyetik alan sensörünün tasarımı, simülasyonu ve optimizasyonunu amaçlayan bir araştırma yürütülmüştür. Bu çalışmada sistem bir bütün olarak ele alınmış ve Lorentz kuvvetinin oluşmasında etkili olan tasarım ve süreç parametreleri mıknatısa ve mikrokantilevere bağlı olarak belirlenip sınıflandırılmıştır. Bu kapsamda Lorentz kuvvetini etkileyen mıknatısa bağlı parametreler mıknatısın tipi, derecesi, şekli ve boyutları ile mıknatısın x, y ve z eksenlerinde mikrokantilever biyosensöre göre konumlandırılması olarak tanımlanmıştır. Diğer tarafta, mikrokantilever ile ilgili Lorentz kuvveti girdi parametreleri, mikrokantileverin, biyoparçacıkları taşıyacak alanın ve iletken hattın boyutları, malzemesi, tasarımı ve iletken yola beslenecek akım miktarı olarak birbirinden ayrılmıştır. Manyetik alan sensörünü ve mıknatısı içine hapsedecek vakum bölgesi bir diğer parametre olarak tanımlanmıştır. Lorentz kuvveti tabanlı manyetik alan sensörünü simüle ve optimize etmek amacıyla Ansoft Maxwell® Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) yazılım aracı kullanılmış olup, ilgili sistem için bir deney tasarımı süreci modellenmiş ve bir kaç parametrenin sabitlenmesi ve sadece bir parametrenin bir seferde değiştirilmesini takip eden bir optimizasyon algoritması geliştirilmiştir. Değişkenliğe uğrayan parametrenin Lorentz kuvvetine olan etkisi ilişkilendirilmiş olup, maksimum Lorentz kuvveti sağlayan değer ilgili parametre için en ideal durum olarak seçilmiş ve müteakip parametreler aynı şekilde araştırılarak tam bir optimize edilmiş parametreler kümesi elde edilene kadar tekrarlanmıştır. Optimize edilecek parametreler, mıknatısın şekli ve boyutsal oranları, mıknatısın mikrokantilevere göre x, y ve z doğrultularında konumlandırılması ile portlara beslenecek farklı dc akım varyasyonları olarak seçilmiştir. Bu süreçte mikrokantileverin, biyolojik parçacıkları taşıyacak alanın ve iletken yolların boyutları, tasarımları ve malzemeleri sabitlenerek diğer parametrelerin Lorentz kuvvetine olan etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Buna ek olarak, mikrokantileveri ve mıknatısı içine alan vakum kutusunun boyutları bu ikisine göre belli yüzdeyle otomatik olarak ayarlanacak şekilde konfigüre edilmiş ve bu vakum alanının optimizasyonu gerçekleştirilmemiştir. Elde edilen optimizasyon sonuçları sonucunda Lorentz kuvvetinin 2,65 oranında arttırıldığı bulunmuştur. 0-50 mA aralığında manyetik alan sensörüne verilen akımın hacimsel olarak sensörde oluşturacağı ısınma dağılımını araştırmak için Sonlu Elemanlar Analiz yöntemi olan COMSOL Multiphysics®'de bir joule ısınma analizi yapılmıştır. Sensörün yüzeyinde oluşan sıcaklık ve beslenen akım arasındaki ilişki simülasyon yöntemiyle analiz edilmiş, akım kaynaklı sıcaklığın eksponensiyel oranda arttığı, dolayısıyla sensörün hatalı çalışmasına neden olmayacak akım aralığı 0-15 mA olarak saptanmıştır. Lorentz kuvveti ile manyetik alan sensörünün mekanik olarak esnemesi arasındaki ilişki, COMSOL Multiphysics®'in yapısal mekanik modülünde simüle edilmiş ve ilgili ilişkiden doğrusal olarak artan bir eğilim tespit edilmiştir. Belirlenen parametreler ile Lorentz kuvveti arasındaki ilişkilerin kapsamlı incelenmesi, Joule ısınma ve esneme analizi sonuçları da dahil olmak üzere, elde edilen optimize edilmiş parametre değerleri kullanılarak yeni tasarımların oluşturulması için bir tasarım algoritması oluşturulmuştur. Bu doğrultuda hazırlanan prosedüre göre ilk etapta farklı orta gövde uzunluk ve kalınlıklarına sahip beş farklı tasarım modellenmiş ve bunların Lorentz kuvveti üzerindeki etkileri incelenmiştir. İlgili uzatma ve genişletme eylemlerinin Lorentz kuvvetini pek etkilemediği bulunmuş fakat bu genişletilmiş iletken yollara tasarımların üzerinde yapılan joule ısınma analizleri sonucunda bunların sensor yüzeyindeki sıcaklıkları düşürdüğü tespit edilmiştir. Buna ek olarak akımın geçmiş olduğu yolların yükseklikleri 1 µm, 3 µm ve 5 µm olarak değiştirilerek simüle edilmiş ve Lorentz kuvvete hiçbir değişiklik sağlamadığı bulunurken, joule ısınma analizi sonucunda ilgili yüksekliğin düşürülmesinin mikrokantilever üzerindeki akım kaynaklı ısınma dağılımını kötüleştirildiği görülmüştür. MEMS manyetik alan sensörünün pratikte gerçekleştirilmesi için kapsamlı bir MEMS üretim prosedürü talimatı yazılmıştır. Bu çalışmanın uygulanması durumunda çalışmada optimize edilmiş olan NdFe35 tipi blok mıknatısın boyutlarının tedarik edilip edilemeyeceği konusunda yerel bir mıknatıs üreticisi ile temas kurulmuş ve ilgili mıknatısın üretilebileceği bilgisi alınmıştır. Tasarlanan kavramsal konunun uygulamaya aktarılması kapsamında biyolojik savaş unsurları olarak tanımlanan E. Coli bakterileri, variola virüsü, Influenza A, B ve C virüsleri ele alınarak modellenmiş ve literatürde bulunan veriler temelinde bu biyolojik parçacıkların tahmini ağırlıkları sayısal olarak hesaplanmıştır. Farklı sayılardaki biyo-parçacıkların mikrokantileverin ilgili altın yüzeyine yapışmasıyla mikrokantilever üzerinde oluşturacağı kuvvet ve dolayısıyla esneme COMSOL Multiphysics® simülasyon programında simüle edilmiş ve mikro ve nano mertebelerindeki esneme değerleri bulunmuştur. Daha sonra, Lorentz kuvvete dayalı manyetik alan sensörüyle bu parçacıkların optik interferometre yöntemiyle nasıl algılanabilecekleri detaylı olarak sunulmuştur. İlgili E. coli bakterilerinin sayısının saptanmasına karşılık gelen akım besleme değerleri simülasyon sonuçlarından alınan verilerle modellenmiş ve akımın mikroamper mertebelerinde olduğu belirlenmiştir. Buna ek olarak, ilgili biyolojik unsurların algılanmasında kullanılabilecek optik yöntemlerin taşınabilir olmaması ve pahalı ekipmanlar gerektirmesi sebebiyle tasarlanan ilgili sensörde değişiklikler yapılarak piezorezistif algılama metodu uygulanabileceği vurgulanmış; böylece kompakt ve hemen kullanıma hazır bir Lorentz kuvveti tabanlı mikrokantilever biyosensörünün biyolojik silah niteliğinde kullanılan virüs ve bakterileri tespit etmede saha uygulamalarında kullanılabilir olacağı gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

The alarming terrorist attacks via the exploitation of bacteria and viruses in the history of mankind have set concerns globally and led the governments to identify and recognize biological warfare agents such as bacteria and viruses for taking preventative action. Hence, fast detection and precise identification of these agents have been attributed as key strategies for biodefense globally. In the interest of biological warfare agent sensing, sensitive and optimized tools/sensors are needed that are capable of quantifying the response of physical attachments of the biological agents into measurable values for their detection. For this purpose, MEMS based cantilever biosensors that are capable of prompt, real time, cost effective and label free methods of biomolecular recognition have emanated as promising early warning systems for biological defense and have been opted for studies of mass sensing and detection of biological particles. In this sense, the interdisciplinary nature of MEMS could be exploited through merging and synergizing diverse range of fields such as the Lorentz force actuated MEMS magnetic field sensors with the concept of BioMEMS microcantilever sensors by exploring the best of both worlds for achieving the ultimate objective of bioparticle sensing. In the literature, few studies were undertaken that considered the Lorentz force actuation mechanism with the microcantilever based biosensors for detecting the absorption of biological particles on the functionalized region of the sensor. The concentrations of these studies were found to be more oriented towards the simulation or the experimental demonstration of the subject with mere explorations on the optimization of the process parameters. Hence, in order to fulfill the relevant gap, an investigation has been carried out that aims at the design, simulation and optimization of a MEMS magnetic field sensor consisting of a microcantilever with a bioplate as a transducer that is actuated by exploiting the principle of Lorentz force in the static mode. In this study, the system was viewed as a whole and the design and process parameters that were potentially influential on the Lorentz force actuation mechanism of the proposed MEMS magnetic field sensor were identified and classified into categories of variables related to permanent magnet and the microcantilever biosensor. The parameters in the class of permanent magnet were identified as the type, grade, shape and dimensions of magnet and the positioning of the magnet with respect to the microcantilever biosensor in x, y, and z axes. The input parameters with regard to the microcantilever were distinguished as the sizes, materials and shapes of the microcantilever, the conductive path and the biosensor and the amount of current that could be injected into the ports of the sensor. A vacuum region encapsulating the magnetic field sensor and the permanent magnet was defined for the relative packaging of the device. A design of experiments process was modeled for simulating the Lorentz forces in Ansoft Maxwell® FEA software and an optimization procedure was developed that followed a pattern of fixating some parameters and changing only one parameter at a time to determine the relative effect of the considered parameter on the Lorentz force. The case of the varied parameter that yielded the maximum Lorentz force was opted as the ideal case and the subsequent parameter was investigated in the same manner, repeating until a full set of optimized parameters was obtained. The parameters to be optimized were selected as the shape and the ideal dimensional ratios for the magnet, the x, y and z position of the magnet with respect to the microcantilever and the variation of dc current supply. The dimensions, shapes and materials of the microcantilever, the bio-plate and the conductive path remained untouched throughout the optimization process. In addition to this, the optimization of the dimensions of the vacuum box was not conducted due to the automatic adjustment of the vacuum region with a percent ratio relative to the microcantilever and the permanent magnet. Following the series of optimizations, the resulting Lorentz force was concluded to be 2.65 times higher than that of the initial value. A joule heating analysis was conducted in COMSOL Multiphysics® to explore the volumetric distribution of the heat throughout the magnetic field sensors due to the injection of current in the interval of 0-50 mA. The relationship between the current and the average surface temperature on the sensor due to joule heating was plotted from the simulation results so as to find the potential need to define a safe current margin such that the sensor does not begin misfunctioning due to increased temperature. An exponentially increasing relationship was discovered for every incremental rise in the current and hence the 0-15 mA interval was defined to be the safe current range for the respective sensor. The analogy between the Lorentz force and the mechanical deflection of the magnetic field sensor has also been simulated in structural mechanics module of COMSOL Multiphysics® and a linearly increasing trend has been identified from the relationship. After a thorough examination and construction of relationships of the input parameters with respect to the Lorentz force, including the joule heating and the deflectional analysis, the optimized parameter values obtained from the results were employed for modeling five new designs of the microcantilever based biosensor for deriving further evaluations on the developed Lorentz force. A new optimization procedure was prepared in this respect and the effects of increasing the lengths and the widths of the middle arms of conductive paths on the Lorentz force were examined. The acts of lengthening and widening were found to be hardly affecting the Lorentz force but subsequent undertaking of a joule heating analysis for the increased width of the conductive paths presented improved average surface temperature results for the sensor. The thickness of the conductive paths for the current were also varied between 1 µm, 3 µm and 5 µm that yielded no changes on the Lorentz force in Ansoft Maxwell® while worsening the heat distributions on the microcantilever in COMSOL Multiphysics® Houle heating Analysis, thus downsizing the range of safe current. Also, the implication of increasing the surface area of the microcantilever structure with respect to the joule heating was examined and an indirect proportionality was concluded where the expansion in the surface area led to better dissemination of the heat across the volume of the sensor, maximizing the safe current intervals that would result in higher Lorentz force. A fabrication procedure for the MEMS magnetic field sensor was also described comprehensively for its practical realization. A contact has been established with a local permanent magnet manufacturer to see if the optimized dimensional sizes for the NdFe35 type block magnet was commercially available in case that the study is practically implemented. As a proof of concept, the biological warfare agents such as E. coli, variola virus, Influenza A, B and C viruses were modeled and their respective estimative weights were numerically calculated based on the data found on the literature. The translation of the weights induced by these bioparticles on the functionalized gold site of the microcantilever were simulated and the relevant characteristics of the deflections for differing numbers of the respective particles were established for the sensor. Afterwards, the methodology for mass sensing of the bioparticles by the Lorentz force based magnetic field sensor was presented and elaborated by exemplifying with an optical interferometry. The plot of the results of the simulations for the current supply corresponding to the detection of respective numbers of E. coli bacteria illustrated that the current was in the microampere range. Therefore, a requirement for an instrumentation that feeds dc current at microampere range was pointed in order to realize the detection of the respective biological agents by the sensor. Additionally, the bulkiness and the cost of the optical transduction method encouraged discussions relating to the piezoresistive method of detection through a potential modification of the developed sensor such that a compact, ready to use Lorentz force actuated microcantilever biosensor could be employed for practical field implementations in detecting biological warfare agents.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    457647

    Design and modelling of terahertz phase shifters using corrugated planar goubau lines

    Oluklu düzlemsel goubau hatları ile terahertz faz kaydırıcı modellemesi ve tasarımı

    MUHAMMED ABDULLAH UNUTMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. MEHMET ÜNLÜ

  2. Tez No

    223269

    Design and simulation of pull-in phenomenon of MEMS switches

    MEMS anahtarlarin kapanma olgusunun tasarim ve simülasyonu

    HALİL TEKİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. LEVENT TRABZON

    Y.DOÇ.DR. SERHAT İKİZOĞLU

  3. Tez No

    166192

    Mems accelerometer design

    Mems ivme ölçer tasarımı

    ÖZGÜR ERDENER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ TOKER

    YRD. DOÇ. DR. LEVENT TRABZON

  4. Tez No

    313552

    A MEMS-based microtensile testing method for Si nanowires

    Si nanoteller için MEMS temelli mikrogerme test yöntemi

    BERKAY GÜMÜŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA

  5. Tez No

    496436

    Tüberküloz teşhisi için kullanılmak üzere mikro ısıtıcı tasarlanması karakterizasyonu ve üretimi

    Microheater design production and characterisation for using in tuberculosis detection

    MUHAMMED BEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

Geri Dön