Görüntü işleme algoritması kullanarak elektrotermal mikro-aktüatörün karakterizasyonu

Bu makale, 3B mikro-eklemeli üretim yöntemlerinden biri olan iki-foton polimerizasyon (2PP) kullanılarak üretilen bir elektrotermal mikro-aktüatör çalışmasını sunmaktadır. İki yönde hareket edebilen elektrotermal mikro-aktüatör, belirlenen kriterlere göre tasarlanmış ve fabrikasyonu gerçekleştirilmiştir. Fabrikasyon sürecinde 3 deney gerçekleştirildi. İlk 2 deneyin üretim sürecinde mikro-aktüatörde bozulmalar ve kırılmalar ortaya çıkmıştır. Bu sorunlar 3. deneyin üretim sürecinde meydana gelmemiştir. Gerçekleştirilen deneyler, destek yapılarının mikro-aktüatör üretimi üzerindeki etkisini göstermektedir. Mikro-aktüatörün farklı çalışma gerilim değerleri altında yer değiştirmesini gözlemlemek için bir karakterizasyon düzeneği oluşturulmuştur. Karakterizasyon işlemi için, prob istasyonuna bağlı mikro-aktüatör, elektrik padlerine bağlı kablolar bulunan bir devre kartına bağlanmıştır. Prob istasyonunda yer değiştirmeleri gözlemlemek için optik mikroskop ve dijital kamera ile bir kurulum kullanıldı. Karakterizasyon işlemleri sonucunda mikro-aktüatörün yer değiştirmesini tespit etmek için görüntü işleme algoritması geliştirilmiştir. Çalışma gerilimi, 1V'luk artışlarla 0V'dan mikro-aktüatörün yapısında kırılma ve bozulma izlenene kadar arttırıldı. Aktüatör 7V gerilime kadar kırılma ve bozulmaya dayanabilmiştir. 8V gerilimde mikro-aktüatörün kollarında kırılmalar olmuştur. Maksimum yer değiştirme 2.82 µm olarak ölçüldü. Sonuç olarak, aktüatör tasarımı çift yönlü olduğundan mikro-aktüatörün maksimum hareketi 5.64 µm olarak tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Eklemeli imalat, elektrotermal çalıştırma, fabrikasyon, iki-foton polimerizasyon, görüntü işleme

PDF

___

1. Park, J. M., Gu, G. Y., Wang, Z. J., Kwon, D. J., Shin, P. S., Choi, J. Y., DeVries, K. L., Mechanical and electrical properties of electrospun CNT/PVDF nanofiber for micro-actuator applications, Advanced Composite Materials, 25(4), 305-316, 2016. 2. Lega, P., Koledov, V., Orlov, A., Kuchin, D., Frolov, A., Shavrov, V., Khovaylo, V., Composite Materials Based on Shape‐Memory Ti2NiCu Alloy for Frontier Micro‐and Nanomechanical Applications, Advanced Engineering Materials, 19(8), 1700154, 2017. 3. Breger, J. C., Yoon, C., Xiao, R., Kwag, H. R., Wang, M. O., Fisher, J. P., Gracias, D. H., Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers, ACS applied materials & interfaces, 7(5), 3398-3405, 2015. 4. Kuo, J. C., Huang, H. W., Tung, S. W., Yang, Y. J., A hydrogel-based intravascular microgripper manipulated using magnetic fields, Sensors and Actuators A: Physical, 211, 121-130, 2014. 5. Daunton, R., Gallant, A., Wood, D., Kataky, R., A thermally actuated microgripper as an electrochemical sensor with the ability to manipulate single cells, Chemical Communications, 47(22), 6446-6448, 2011. 6. Piriyanont, B., Moheimani, S. R., MEMS rotary microgripper with integrated electrothermal force sensor, Journal of Microelectromechanical Systems, 23(6), 1249-1251, 2014. 7. Ertugrul, I., Akkus, N., Yuce, H., Fabrication of MEMS-Based electrothermal microactuators with additive manufacturing Technologies, Materiali in tehnologije, 53(5), 665-670, 2019. 8. Niarchos, D., Magnetic MEMS: key issues and some applications, Sensors and Actuators A: Physical, 109(1-2), 166-173, 2013. 9. Gaafar, E., & Zarog, M. (2017). A low-stress and low temperature gradient microgripper for biomedical applications, Microsystem Technologies, 23(12), 5415-5422, 2017. 10. Wijesiri, A., & Amarasinghe, Y. W. R. (2014). MEMS based microneedle actuator with piezoresistive force feedback system for biomedical applications, International Journal of Scientific Engineering and Technology, 3(12), 1449-1454, 2014. 11. Seo, Y. H., Hwang, K., Park, H. C., Jeong, K. H., Electrothermal MEMS fiber scanner for optical endomicroscopy. Optics express, 24(4), 3903-3909, 2016. 12. Lay, C. L., Lee, M. R., Lee, H. K., Phang, I. Y., Ling, X. Y., Transformative two-dimensional array configurations by geometrical shape-shifting protein microstructures, ACS nano, 9(10), 9708-9717, 2015. 13. Sanli, U. T., Ceylan, H., Bykova, I., Weigand, M., Sitti, M., Schütz, G., Keskinbora, K., 3D Nanoprinted Plastic Kinoform X‐Ray Optics, Advanced Materials, 30(36), 1802503, 2018. 14. Thiele, S., Arzenbacher, K., Gissibl, T., Giessen, H., Herkommer, A. M., 3D-printed eagle eye: Compound microlens system for foveated imaging, Science advances, 3(2), e1602655, 2017. 15. Worthington, K. S., Wiley, L. A., Kaalberg, E. E., Collins, M. M., Mullins, R. F., Stone, E. M., Tucker, B. A., Two-photon polymerization for production of human iPSC-derived retinal cell grafts, Acta biomaterialia, 55, 385-395, 2017. 16. Suzuki, M., Takahashi, T., Aoyagi, S., 3D laser lithographic fabrication of hollow microneedle mimicking mosquitos and its characterisation, International Journal of Nanotechnology, 15(1-3), 157-173, 2018. 17. Dahle, R., Rasel, R., 3-D printing as an effective educational tool for MEMS design and fabrication, IEEE Transactions on Education, 59(3), 210-215, 2016. 18. Lau, G. K., Shrestha, M., Ink-jet printing of micro-electro-mechanical systems (MEMS), Micromachines, 8(6), 194, 2017. 19. Niclass, C., Ito, K., Soga, M., Matsubara, H., Aoyagi, I., Kato, S., Kagami, M., Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS-based laser scanning time-of-flight sensor, Optics Express, 20(11), 11863-11881, 2012. 20. Littrell, R., Grosh, K., Modeling and characterization of cantilever-based MEMS piezoelectric sensors and actuators. Journal of Microelectromechanical Systems, 21(2), 406-413, 2012. 21. Vargas-Chable, P., Tecpoyotl-Torres, M., Cabello-Ruiz, R., Rodriguez-Ramirez, J. A., Vargas-Bernal, R., Modified U-shaped Microactuator with Compliant Mechanism Applied to a Microgripper, In Actuators, 8(1), 2019. 22. https://3dprintingindustry.com/news/nanoscribe-introduces-new-photonic-professional-gt2-3d-printer-for-high-precision-microfabrication-144873/ 23. https://www.formfactor.com/product/probe-systems/150-mm-systems/mps150/ 24. https://www.netes.com.tr/urun/keithley-2182a-nano-volmetre