Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu Cảm biến Gia tốc Piezoresistive Dưới Milimet Ứng dụng trong Y Sinh

Luận án tiến sĩ nghiên cứu encapsulated submillimeter piezoresistive accelerometers for biomedical applications, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong lĩnh

Trường đại học

Stanford University

Chuyên ngành

Mechanical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2005

140
4
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

ACKNOWLEDGEMENTS

ABSTRACT

1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION

1.1. MEMS accelerometer history

1.2. MEMS Packaging Background

1.3. Biomedical Sensors Background

1.3.1. Biomedical applications of micromachined sensors

1.3.2. Biomedical applications of micromachined accelerometers

2. CHƯƠNG 2: DESIGN AND ANALYSIS

2.1. Piezoresistive Accelerometer Design

2.1.1. Flexure & piezoresistor

2.1.2. Proof mass design

2.1.3. Squeeze film damping analysis

2.1.4. Electrical & mechanical noise

2.1.5. Sensitivity, resolution, bandwidth, and range

2.1.6. Device dimensions specification

2.2. Encapsulation Design

2.2.1. Encapsulated accelerometer

2.2.2. Design for miniaturization

2.3. Wafer level self-test of release

3. CHƯƠNG 3: FABRICATION

3.1. Accelerometer fabrication

3.2. Flexible circuit wiring

4. CHƯƠNG 4: CHARACTERIZATION

4.1. Frequency response measurement

4.2. Temperature coefficients of offset and sensitivity

5. CHƯƠNG 5: IMPLANTABLE SOUND SENSORS FOR COCHLEAR IMPLANTS

5.1. Overview of devices for hearing impairment

5.2. Previous and current efforts for sound sensing

5.3. Loudness and sound pressure level (SPL)

5.4. Requirements for an implantable accelerometer

5.5. Results from first generation devices

5.5.1. Noise measurement

5.5.2. Artifact measurement

5.5.3. Incus measurement

5.6. Results from second generation devices

5.6.1. Flexible circuit stiffness evaluation on middle ear ossicles

5.6.2. Noise measurement

5.6.3. Stapes measurement with fused incudo-stapedial joint

5.6.4. Stapes measurement

5.7. Acoustic coupling measurement

5.8. Conclusions and future work

6. CHƯƠNG 6: OTHER ULTRAMINIATURE ACCELEROMETER APPLICATIONS

6.1. Neonatal mice electronic stethoscope study

6.2. Traumatic optic neuropathy study

7. CHƯƠNG 7: CONCLUSIONS AND FUTURE WORK

LIST OF FIGURES

Tóm tắt

I. Cảm biến gia tốc và công nghệ vi cơ điện tử

Luận án tiến sĩ tập trung vào cảm biến gia tốc dưới milimet sử dụng công nghệ piezoresistive. Cảm biến này được thiết kế để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là các thiết bị y tế cần độ chính xác cao. Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) được áp dụng để tạo ra cảm biến có kích thước nhỏ hơn hai bậc so với các cảm biến truyền thống. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị y tế nhỏ gọn và hiệu quả.

1.1. Thiết kế cảm biến gia tốc

Cảm biến được thiết kế với một khối lượng chứng minh (proof mass) được treo bởi một dầm có tỷ lệ cao. Piezoresistors được tích hợp trên thành dầm để đo ứng suất tối đa. Phương pháp đóng gói mới giúp giảm diện tích chip lên đến 70% so với phương pháp truyền thống. Điều này làm tăng hiệu quả và giảm kích thước của cảm biến.

1.2. Công nghệ đóng gói

Công nghệ đóng gói bằng lớp silicon epitaxial giúp tạo ra một lớp vỏ bọc cơ học vững chắc nhưng nhỏ gọn. Phương pháp này không chỉ giảm kích thước mà còn tăng độ bền của cảm biến. Cảm biến dưới milimet này có thể được sử dụng trong các ứng dụng y sinh như cảm biến âm thanh cấy ghép cho thiết bị trợ thính.

II. Ứng dụng y sinh của cảm biến gia tốc

Luận án đề cập đến các ứng dụng y sinh của cảm biến gia tốc, bao gồm cảm biến âm thanh cấy ghép cho thiết bị trợ thính và ống nghe điện tử cho chuột sơ sinh. Cảm biến này có tiềm năng mở ra các lĩnh vực mới trong khoa học và kỹ thuật y sinh, đặc biệt là trong việc giảm thiểu nhiễu hình ảnh trong nội soi vi mô động vật sống.

2.1. Cảm biến âm thanh cấy ghép

Cảm biến được đánh giá như một cảm biến âm thanh cấy ghép cho thiết bị trợ thính, có thể thay thế micro đeo ngoài. Điều này giúp cải thiện chất lượng âm thanh và giảm sự bất tiện cho người sử dụng. Thiết bị y tế này có thể cách mạng hóa cách tiếp cận với các thiết bị trợ thính hiện đại.

2.2. Ống nghe điện tử

Cảm biến cũng được sử dụng như một ống nghe điện tử để đo tín hiệu hô hấp và tim của chuột sơ sinh. Ứng dụng này cho thấy tiềm năng của cảm biến trong việc theo dõi sức khỏe động vật và con người một cách chính xác và không xâm lấn.

III. Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Luận án tiến sĩ này không chỉ đóng góp vào lĩnh vực công nghệ cảm biến mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong y sinh. Cảm biến gia tốc dưới milimet có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế nhỏ gọn, cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân. Nghiên cứu này cũng đặt nền móng cho các phát triển tiếp theo trong lĩnh vực cảm biến sinh họcthiết bị y tế.

3.1. Tiềm năng trong y sinh

Cảm biến có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu nhiễu hình ảnh trong nội soi vi mô động vật sống. Điều này giúp cải thiện độ chính xác của các thủ thuật y tế và nghiên cứu khoa học. Cảm biến áp suấtcảm biến sinh học cũng có thể được phát triển dựa trên công nghệ này.

3.2. Ứng dụng trong thiết bị y tế

Cảm biến có thể được tích hợp vào các thiết bị y tế nhỏ gọn, giúp theo dõi sức khỏe bệnh nhân một cách liên tục và chính xác. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc theo dõi các bệnh nhân có nguy cơ cao hoặc trong các nghiên cứu lâm sàng.

21/02/2025
Luận án tiến sĩ encapsulated submillimeter piezoresistive accelerometers for biomedical applications

Trích đoạn nội dung tài liệu

ENCAPSULATED SUB-MILLIMETER PIEZORESISTIVE ACCELEROMETERS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY Woo-Tae Park December 2005 UMI Number: 3197493 Copyright 2006 by Park, Woo-Tae All rights reserved. INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted.

Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion. ® UMI UMI Microform 3197493 Copyright 2006 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code.

ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 © Copyright by Woo-Tae Park 2006 All Rights Reserved lì I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Kenny, Principal Adviser I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Pruitt I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy.

Khuri-Yakub Approved for the University Committee on Graduate Studies. Micromachined accelerometers have been introduced in the late 1970s and have been used in various applications. The applications range from inertial navigation and data logging in wells to body activity monitoring for pacemakers. Although the size of the accelerometers was sufficient for their applications, there were not many efforts in pushing the limits of accelerometer miniaturization.

In this study, we utilized film deposition packaging technology and other modern microfabrication techniques to miniaturize the size and mass of the packaged accelerometers, two orders of magnitude smaller than any accelerometers ever reported. We used these ultra miniature accelerometers to offer sensing capabilities for biomedical applications which was not possible with any other means. | A novel design of the accelerometer and packaging has been developed for miniaturization. The accelerometer consists of a proof mass suspended by a single high- aspect-ratio beam attached to the substrate.

Piezoresistors are implanted on the sidewall of the beam to sense the maximum stress applied on the beam. A thick layer of epitaxial silicon is deposited on the accelerometer to form a mechanically robust yet compact package. The new packaging method enables reduction in die area up to 70% compared to conventional wafer bonded package. A new polyimide flexible circuit is also developed to route the signals from the ultra-miniature accelerometers to a conventional package.

The new technology is used in experimental biomedical applications. The accelerometer is evaluated as an implantable sound sensor for cochlear implants which can possibly replace the externally worn microphones. It is also used as an electrical stethoscope to measure respiratory and heart signal of neonatal mice. There are many other possible applications in the biomedical field such as imaging artifact reduction for live animal microendoscopy.

This technology has the potential to open up new realms of motion sensing in the biomedical science and engineering. iv Acknowledgements The work presented in the dissertation would not have been possible without the help from a number of people. I would like to start by thanking my PhD advisor Prof. Tom Kenny who had the most influence on my graduate studies.

Our relation started from my first day at Stanford, since Tom was also my masters’ degree academic advisor. In spite of his busy schedule, Tom always finds time to meet with his students, in the office, the lab, or even the golf course. I am truly grateful for his persistent guidance and faith in my abilities. I would like to thank Prof.

She was initially my mentor in the Kenny group, and later as a professor in the department served as the reading committee of my thesis. I would also like to thank the rest of the thesis committee; Prof. Pierre Khuri-Yakub, Prof. Sunil Puria, and Prof.

I especially want to thank Sunil for his help in the middle ear measurements which is the highlight application of my research. Tá like to thank my collaborators. First, in the wafer level packaging project, I’d like to thank Dr. Aaron Partridge, Markus Lutz, Rob Candler, and Gary Yama.

Aaron was my mentor in building accelerometers or any piezoresistive devices in general. Second, in the middle ear measurements, I need to thank Kevin O’Connor, Dr. Toshiki Maetani, Dr. Joe Roberson, and Jaehoon Sim.

And finally, in the mouse stethoscope project, Matt Beasley, Berit Jacobson, Dr. Richard Bland, and Ian Chen helped me throughout the measurements. I’d like to thank the past and present Kenny group members, Dr. Amy Herr, Dr.

Olaleye Ajakaiye, Anu Tewary, Dr. Eugene Chow, Dr. Lian Zhang, Dr. Michael Bartsch, Roxanne Daniels, Dr.

Yoshi Hishinuma, Dr. Robert Rudnitsky, Hyeun-su Kim, Dr. Dan Laser, Evelyn Wang, Ginel Hill, Dr. Holden Li, Jennifer Bower, Kevin Lohner, Jeffrey Li, Dan Soto, Vipin Vitikkate, Kuan-Lin Chen, Parmita Dalal, Andrew Graham, Wesley Smith, Matt Hopcrof, Manu Agarwal, Bongsang Kim, Saurabh Chandorkar, Chandra Jha, Kwan Kyu Park, Suhrid Bhat, and Renata Melamud.

It was a great pleasure to work in such an enthusiastic group. Each group member was a great collaborator or a mentor. I especially want to thank Kuan-Lin and Vipin for all the help and discussions on the encapsulated accelerometer. I'd like to thank Robert Jung of Altaflex® for fabricating the Kapton flex circuits used in this work for free.

I think his generous support reduced about a year of flex circuit development. I’d like to thank the Stanford Nanofabrication Facility staff, Maurice Stevens, Gladys Sarmiento, Uli Thumser, Cesar Baxter, Nancy Latta, Mahnaz Mansourpour, Elmer Enriquez, and finally a non-staff but resident ‘fabgod’ Dr. I’d like to thank the people who supported my life outside of the lab. The Korean mechanical engineer society was a big presence in my Stanford life and I’d like to thank all of them.

Sangkyun Kang, Dr. Sukwon Cha, Dr. Byeongchan Lee, Dr. Suhong Kim, Dr.

Jaemo Koo, Dr. Simon Song, Tonghun Lee, Taegyeong Yang, and Kwonsoo Chun. I’d also like to thank all the members of the micro-engineering labs, especially Dave Huber, Dr. Shuhuai Yao, and Dr.

I'd like to thank my funding agencies. This work was supported by DARPA HERMIT (ONRN66001-03-1-8942), the Robert Bosch Corporation Palo Alto Research and Technology Center, a CIS Seed Grant, The National Nanofabrication Users Network facilities funded by the National Science Foundation under award ECS-9731294, and The National Science Foundation Instrumentation for Materials Research Program (DMR 9504099). Finally, I’d like to express my deepest gratitude towards my parents for always supporting me in various ways. And last but not the least, I'd like to thank my wife, Yu Kyung, for supporting me and loving me for the man I am.

vi Table of Contents Abstract. sesssessee LV - ACKknowl€dØ€ITIIÉS.0009 0090666096660 068 V Table of Content ú. 16098 6009 56669466090668806 Vii List Of EÏØTFS.90684 x ba)at 1) (eee xvi IN0oIme€nncÌÏAfUIF€.ooco o5 25 52559093059 9569969650898956936936909369694648846960894604 xvii Chapter 1 Infr0oduCfÏOI.1 MEMS accelerometer h1SfOFY. - cọ HH HH ng ng ng ưiện 1 1.2 MEMS Packaging BackgTOunid.- - co s91 ng 1g ng cư.3 Film encapsuÌafiOT.- su ng kg gu 11 1.3 Biomedical Sensors Background.1 Biomedical applications of micromachined sensors .2 Biomedical applications of micromachined accelerometers.

15 Chapter 2 Design and ÁIaÌÏySÌS.2 Piezoresistive Accelerometer Design.1 Flexure & piezoresistor €SIET.2 Proof mass CeSIQN 0n .3 Squeeze film damping analysis .1 Electrical & mechanical noise .2 Sensitivity, resolution, bandwidth, and range.3 Device Dimension s©Ï€CfIOTI.4 Encapsulation DeS1gTn.1 Encapsulated acceÏ€rOT€fT.2 Design for min1afUT1ZAfIOTA. s- c H TH n nHh n gnện 42 2.3 Wafer level self-test of release. HH ng HH ng gu 45 2.5 ca nh hố. 0G Go SH cọ nH n 096889464896680 08686 49 KNNsov.

vn ng:::adiaiia.1 Accelerometer faDr1CAfiOTI. Án TH HH ng ng ng 49 3.2 Flexible CITCUI{ WITITIE. Q1 ng ng ng TH nàn 60 Chapter 4 Characterization .2 Frequency ReSponse am. 66 KP song o0 nh .-- GG cv ngưng 71 Chapter 5 Implantable Sound Sensors for Cochlear Implants .1 Overview of devices for hearing 1mpairment.2 Previous and current efforts for sound sensing .3 Loudness and sound pressure level (SPL) .4 Requirements for an implantable accelerometer.1 Sample pT€D4äTAfIOT\.

«L1 191031181101 11 11g ng HH ng 84 5. - LH HH TH KH KH KH HH 00 K01 17T 85 5.3 Results from First Generation DeViCeS.1 Noise mm€aSuT€TT€HIÍ.2 Artifact me€aSUT€TTeTIÍ.- G5 S1 KH ng ke 89 5.3 Ïncus €aSUT€IT€TIE.4 Results from Second Generation DeviC€s.1 Flexible circuit stiffness evaluation on middle ear ossicles .2 Noise me€aSUT€TN€TIE.3 Stapes measurement with fused incudo-stapedial Joint.4 Stapes I€aSUT€TTII. ác HH ng ng kg 98 5.5 Acoustic coupling 1TneaSUTEIN€TIÍ.5 Conclusions and future WOTĂ.- án HH ng ng re 102 Chapter 6 Other Ultraminiature Accelerometer Applications .1 Neonatal Mice Electronic Stethoscope Study .- --- cọ HH net 104 6. - 4ó «cọ HT TH ng rà 105 6.2 Traumatic Optic Neuropathy Studyy.

Go HH ke 107 6. 107 Chapter 7 Conclusions and Future Work .ccssscseessssssesecers —— 109 9u oi nh. 0G G00 Họ cọ TH 000000004 0000008006488 0660406096 113 1X List of Figures Figure 1. Example of a piezoresistive accelerometer.

Most of them are sensitive out of plane with a variation in the number of ÍeXUT€S. Example of capacitive accelerometers. Conditioning circuit is fabricated in a separate CHIp. -- Ăn HH KH ng HH ng ng 0k4 4 Figure 1.

Packaging process flow of ‘die level packaging’. The singluated device is then attached to a package (c). The device is then wirebonded to the package (d) and finally the package is sealed ›41:8:8 0/2) 0117777. Packaging process flow of ‘wafer level packaging’.

Encapsulated wafer is diced to singulate each device (c). This form can be suitable for PCB mounting. Alternatively, the device can be mounted, wirebonded and molded on a plastic molded package 6). Electrical feedthough connections for encapsulation.

(a) Lateral connections have signal lines running beneath the seal ring to bondpads on the die periphery. (b) Vertical connections have signal path through the encapsulation cap to bondpads on top of the encapsulaf1OT. --- + ch HH TH HT TH Hàng Hung 10 Figure 1. Process flow of film encapsulation.

A micromachined silicon strain gauge used for chronic physiologic studies [46]. The device consisted of a doped resistor, two gold electrical pads, and two suture rings for attachment to tissue. Two platinum-iridium wires were attached to the pads by conductive epoxy and the wires are terminated with a silicone rubber block. The whole device is coated by Parylene®.

Simple model of an accelerometer. It is a second order system. Every accelerometer consists of proof mass (m), spring (k), and damper (b). The displacement (x) is proportional to the acceleration (A) and they are in the same direction.

The range of the proof mass movement is limited by the end stops which prevent the device from shock aT486. Amplitude of the displacement in respect to the frequency. The displacement is “OQ” times larger at the natural Íf€QU€TCY. ó0 t0 9111 nh ngay 19 Figure 2.

Illustration of the piezoresistive accelerometer. Accelerometer shape and important dimensions. The flexure, proofmass, and end stop are defined in a single DRIE SI€P. Gà“ HH HT TH HH ng TT TH Hà Hán iệt 20 Figure 2.

Piezoresistance factor P(N, T) as a function of impurity concentration and temperature for n-type silicon. P-type silicon behaves similarly [8§0]. Wheatstone bridge configuration for (a) single strain gauge, and for (b) dual SUTAIN QAUGE.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ "Cảm biến gia tốc piezoresistive dưới milimet cho ứng dụng y sinh" trình bày những nghiên cứu sâu sắc về công nghệ cảm biến gia tốc, đặc biệt là loại cảm biến có kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Tài liệu này không chỉ nêu rõ nguyên lý hoạt động của cảm biến piezoresistive mà còn phân tích các lợi ích mà nó mang lại, như khả năng đo lường chính xác và độ nhạy cao trong các điều kiện khác nhau. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách mà công nghệ này có thể cải thiện các thiết bị y tế, từ đó mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển trong tương lai.

Để mở rộng thêm kiến thức về lĩnh vực này, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận án nghiên cứu về cảm biến thụ động không dây dạng sóng âm bề mặt, nơi cung cấp cái nhìn sâu sắc về các loại cảm biến không dây và ứng dụng của chúng trong công nghệ hiện đại. Mỗi tài liệu đều là một cơ hội để bạn khám phá thêm và nâng cao hiểu biết của mình về các công nghệ cảm biến tiên tiến.