Date of Award

2-2019

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Electrical Engineering

First Advisor

Dr. Mahmoud Al Ahmad

Second Advisor

Dr. Mohammad Shakeel Laghari

Third Advisor

Dr. Frank Christopher Howarth

Abstract

The activity of piezoelectric material linked the applied electric field with the strain generated that can be translated into geometrical variations. Flexible steel substrate exhibits fascinating mechanical properties which enable their integration into the emerging field of flexible microelectronics. This work presents an extended technique based on capacitance-voltage dependency to extract the geometrical variations in thin-film piezoelectric materials deposited on a flexible steel. A 50 μm flexible steel sheet has been sandwiched by two PZT film layers, each of 2.4 μm in thickness deposited by sputtering. An aluminum layer of 370 nm has been deposited above each PZT layer to form the electrical contact. The steel sheet represents the common electrode for both PZT structures. Gamry references 3000 analyzers were used to collect the capacitance-voltage measurements then estimating the piezoelectric charge constant. Experimental work has been validated by implementing the same method on a bulk piezoelectric film. Results have shown that the measured capacitance varies by 1% due to dielectric constant voltage dependency. On the other hand, 99% of capacitance variations depend on the change in physical dimensions of the sample via the piezoelectric effect. Further to that, this thesis explores the utilization of piezoelectric-based sensors to collect a corresponding representative signal from the chest surface. The subject typically needs to hold his or her breath to eliminate the respiration effect. This work further contributes to the extraction of the corresponding representative vital signs directly from the measured respiration signal. The contraction and expansion of the heart muscles, as well as the respiration activities, will induce a mechanical vibration across the chest wall. This vibration can be converted into an electrical output voltage via piezoelectric sensors. During breathing, the measured voltage signal is composed of the cardiac cycle activities modulated along with the respiratory cycle activity. The proposed technique employs the principles of piezoelectric and signal-processing methods to extract the corresponding signal of cardiac cycle activities from a breathing signal measured in real-time. All the results were validated step by step by a conventional apparatus, with good agreement observed.

Comments

المواد الكهرضغطية تربط الحقل الكهربائي التطبيقي بالتوتر المولد التذي يمكن ترجمته إلى اختلافات جيومترية. إن الركيزة الفولاذية المرنة تتميز بخصائص ميكانيكية رائعة تمكنها من الاندماج في المجال الناشئ للإلكترونيات الدقيقة المرنة. يقدم هذا العمل تقنية موسعة تعتمد على السعة والجهد لاستخراج التغيرات الجيومتريه الهندسية في المواد الكهرضغطية للفيلم الرقيق المودعة في الفولاذ المرن. تم وضع صفائح فولاذية مرنة بقطر 05 ميكرومتر بواسطة طبقتين من طبقات الفيلم PZT , كل منها يبلغ سمكه 2.4 ميكرومتر يتم ترسيبه بواسطة الرش. طبقة الألومنيوم من 370 نانومتر ترسبت فوق كل طبقة PZT لتشكيل الاتصال الكهربائي. تمثل ورقة الصلب القطب المشترك لهياكل .PZT تم استخدام جهاز 3000 Gamry محلل لجمع قياسات الجهد و السعة ثم تقدير ثابت الكهرضغطية. تم التحقق من صحة العمل التجريبي من خلال تطبيق نفس الطريقة على فيلم كهرضغطية كبير. أظهرت النتائج أن السعة المقاسة تختلف بنسبة 1٪ بسبب تبعية الجهد الثابت للكهرباء. من ناحية أخرى ، تعتمد نسبة 99 ٪ من تغيرات السعة على التغيير في الأبعاد المادية للعينة تحت تأثير الكهرضغطية. علاوة على ذلك ، تستكشف هذه الأطروحة استخدام أجهزة الاستشعار الكهرضغطية القائمة لجمع إشارة تمثيلية مقابلة من سطح الصدر. يحتاج الشخص عادةً إلى ضبط نفسه لالغاء تأثير التنفس. ويساهم هذا العمل أيضًا في استخراج العلامات الحيوية التمثيلية المقابلة مباشرةً من إشارة التنفس المقاسة. إن تقلص عضلات القلب وتوسعها ، بالإضافة إلى أنشطة التنفس ، ستحفز الاهتزاز الميكانيكي عبر جدار الصدر. يمكن تحويل هذا الاهتزاز إلى جهد خرج كهربائي عبر أجهزة استشعار كهرضغطية. أثناء التنفس ، تتكون إشارة الجهد المقاسة من نبض القلب المشكّلة جنبًا إلى جنب مع نشاط التنفس. تست التقنية المقترحة مبادئ طرق كهرضغطية وطرق معالجة الإشارات لاستخراج الإشارة المقابلة لأنشطة القلب من إشارة التنفس المقاسة في الوقت الحقيقي. تم التحقق من صحة جميع النتائج خطوة بخطوة من قبل جهاز تقليدي، مع ملاحظة تطابق جيد في النتائج.

Acknowledgments

Foremost, I would like to extend my appreciation to my advisor, Dr. Mahmoud Al Ahmad. He gave me a precious opportunity to work with him and motivated me throughout the work. I’m thankful for being my tutor and for his wise aspiring guidance.

I also would like to thank Professor Manos Tentzeris for the opportunity he gave me to work in his laboratory at the Georgia Tech University for three months.

I express my full gratefulness to my parents for their guidance and support. I will never forget to thank my dear friends for being there for me supporting and encouraging me all time.

Download

Included in

Engineering Commons

Share

COinS