Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   5 Octo ber   201 9 , pp.  4044 ~4 052   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v9 i 5 . pp4 0 44 - 40 52          4044       Journ al h om e page http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Sensitivi ty and  p ac k ag in i mp rovement  of  an LCP  p re ssu re  s ensor fo i ntr acranial  p ressure   m easur emen t   via   FEM  s i mu lation         Preedi pat S att ayasoont ho r n 1 Jackri t  Suth akorn 2 ,   Sora youth  Chamn anve j 3   1 Depa rtment of  Biom edi cal  Eng i nee ring ,   Fa cul t y   of  Engi n ee rin g,   Mahidol   Univ ersity ,   Thail and   2 Cent er   for  B io m edi ca l   and   Rob oti cs  Te chno log y ,   Facu lty   of En gine er ing, Mahidol  Univer si t y ,   Tha iland   3 Depa rtment of  Surger y ,   Fa cul t of  Medi ci n R a m at hibodi   Hos pi ta l ,   Mahido Uni ver sit y ,   Th ai l and       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Feb   26 , 201 9   Re vised  A pr   2 4 , 2 01 9   Accepte Apr   30 , 201 9       bioc om pat ible  li qu id  cr y sta pol y m er  ( LCP)  pre ss ure   sensor  is  proposed   for  m ea suring  i ntra cr ani a pr essure  (ICP)   in  Tr aumati c   Brai n   I njur y   (TBI)   pat i ent s .   Fini te   e le m ent   m et hod   u sing  COM SO m ult iph y si cs   is  e m plo y ed   t o   stud y   the   m ec h a nic a beh avi or  o the   p ac k age L CP   pre ss ure   sensor  in  orde r   to  opti m ize  th s ensor  design.  3D  m odel   of  the   8x8x0. m m   LCP  pre ss ure   sensor  is  sim ula te to   inve st iga t the  par amete rs   tha t   significan tly   infl uen c e   the   sensor  ch aract er isti cs  und er  t he  uniform  pre ss ure   ran g of  to   50  m m Hg.  The   sim ula ti on  result of  the   ne design  are   compare to  the   e xper imental  r esult from   pr evi ous  design .   T he  resul show tha r educing  th thicknes s   of  the   sensing  m embrane   ca inc rea se  th sensiti vi t y   up  to  six  ti m es  of  tha t   pre viousl y   r epo rte d.   A improvem ent   of  fab ric a ti on  m et hodolog y   is   proposed  to com ple t th e LCP packa gin g.   Ke yw or d s :   Finit e le m ent  m et ho d   In trac ra nial  p re ssu re  se ns or   LCP   MEM f a br ic a ti on     Si m ulati on   Copyright   ©   201 9   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Jackr it  S uth a kor n   Ce nter   for  Bi om edical  an d R obotics Tec h nolog y,  Faculty  of E ng i neer i ng ,   Ma hidol U niv e rsity ,   25/2 P ut tam on thon  R oad,    Sala ya , N a kor Pat ho m  7 31 70, T haila nd .   Em a il j ackr it .s ut@m ahido l.ac .th       1.   INTROD U CTION     Pati ents  with  sever t rau m atic  br ai i nju ry   are  re qu ir ed  t ha ve  thei intracra nial  pre ssu re  (I C P)  m on it or ed.  As   the  brai s well the  i ntracra ni al   pr es sure  ris es,  a ICP  of  ov e 15  m m H ca har m   th brai and   t he  sp i nal  cord  [1 ,   2] Se ver al   co nve ntion al   syst em a re  us e to  m ea su re  ICP,  with   each  syst e m   bein su it able  f or   pa rtic ular  case.  Diff e re nt  dev ic es  are  placed  i dif fer e nt  are as,  the  locat io bein de pende nt  on   the  patie nt’s  c onditi on.  E xisti ng   dev ic es  ha ve  lim it a ti on s,   su ch  as:   ris of   in fecti on,  hi gh   c os an ri sk   of  bleedin [3 - 5 ]   New  ICP   m on it or in dev ic es   aim   to  re du ce   the  ris of  in f ect ion   [6] Mi nim a ll inv asi ve  pr ess ure   sens or s hould  be  m iniat ur in  siz e,  transm it   data  wirelessl and   be  low  cost.  I pr e vious  w ork  Liqu i Cryst al   Po lym er  or  LCP  pres su re  se nsor  wa pro po se [ 7] .   LCP  is  an  ap pe al ing   m at erial  for  this  ap plica ti on  as  it   is   bio com patible h as  lo m oistur abs orptio an it   has  wide  ra nge  of  chem ic al  resist ances.  R eported   app li cat io ns   of  LCP  in  bio log ic al   en vir onm ent  include:  the  us of  LCP  as  flexible  el ect ro de  f or   neural   stim ulati on   [8 - 10 ] as  a inte rcon nect  for  a im planted  de vice  [ 11 ] a nd  as  pa cka ging  f or   a im pla ntable   sens or   [ 12] G iven  that  m edical   gr ade  LC P   sh eet   is  easi ly  avail able  [13] it   is  an  at trac ti ve  m at erial   f or   the   m ini m ally i nv asi ve  m easur em ent of  ICP.     In   previ ous  stud [7 ,   14 ] an  LCP  press ur s ens or  wa desig ne us i ng   t he  s quare  plate   theo ry  unde sm al d eform ation   c onditi on.  Give that  LCP  s hows  high  de gr ee  of  isotr opy,  the  m at erial   w as   assum ed  to  di sp la li near ly   el ast ic   beh av ior,   base on  this  assum ption   the  m e m br ane  de flect ion   unde r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Sensi ti vi ty  a nd  pa ck agin im prove men of  an LCP  pr ess ur sens or  fo r   .... (Pre edip at  Sa tt ayaso onth or n)   4045   un i form   app li ed  pr es sure  wa eval uated  t opti m iz the  sensing  m e m br ane   siz e.  Com so l - based  finite   el e m ent  analy s is  was  us ed  to  inv est igate   the  m e m br an def l ect ion T he  m o del  on ly   co ns idere the  to of  the   LCP  m e m br an with  the  di m ensio ns   sho wn  in  Figu re  1.   T he  si m ulati on   was  pe rfor m ed  with  bo un da ry  load   conditi on.  The   m e m br ane  defl ect ion   was  si m ula te us in pr ess ures  ra ng i ng   from   to  50   m m Hg The  res ult s   sh owe th at   the  LCP   m e mb ra ne  defo rm ed  el ast ic al ly  an did   not  br e ak  unde r   m axi m u m   pr essure .     The  m axi m um  de flect ion  of  t he  LC m e m b ran e   di not  ex ceed  t he  ou te m e m br ane’ s   th ic kn ess   w hic sh ow s   that  the  sens or   can  ope rate  in  higher  pr es sur es  as  well   Th resu lt al so   s howe that  the   m axi m u m   def le ct io occurre at   th center   of   t he   m e m br ane  a nd  the   m axi m um   stress  (str ai n)   occ urred  at   the  ce nter  of  the   m e m br ane  e dges.  T he  strai gauges  we re  there fore  desig ned  to  be  placed   on   t hese  e dg e to  ca ptur this   high strai n.     The  go l strai gauges  we re  de sign e as  buil in  Wh eat ston bri dge.  serp e ntine  s ha pe  wa use to  increase  the r esi sta nce  of  th total   strai gau ge prot otype  LCP  pr ess ur se ns or  was   fab ricat ed  a nd  te ste in  hydr os ta ti env i ronm ent.  Th m easur e resist a nce  w as  ap prox im ately   60 m or e   than  t he  desi gn e no m inal value,  h oweve r,  the s tud y i de ntifie d a dr a wb ac to  the d esi gn whi ch  le to lo s ensiti vity  an a  lim i t   to  the   operati ng  pr es sure  range.  The   se ns it ivit of  the   pre vious  desig w as  no s uffici ent,  a nd  the   pac kag i ng   was  not  fu ll water  ti gh t.  The  prese nt  stud offe rs  two  a pproache to  ov e rco m the  afo rem entione sh ort com ing of   the  pr e viou work the  fir st  app r oac ai m s   to  i m pr ov e   the  per f orm a nce  of  the  sen so to   increase  t he  se ns it ivit y.  In  thi case,  t he  finite   el e m ent  m e tho is  c ho se t stu dy  the  m echan ic al   be hav i or s   of   the  LCP  m e m br a ne  defo rm a ti on   unde the   operati ng  pr e ssu re   ra nge.  T his  stu dy  s ugge sts  the  a ppr opriat e   sens or   desi gn  wh ic h gen e rate s h i gh e se ns it ivit y t han  t he pr evio u one,  det ai ls are g i ve i Sect io n 2.    The  sec ond  a ppr oac ai m to   i m pr ove  the  s ens or   pac kag i ng  to  a void  water  le aka ge  int the  sen sor’ s   cavit y.  ne fabrica ti on   pro cess  is  pro pose to  ac hieve  com plete   LCP  ICP  m on it or in pac ka ge  as  s how in  Figure  1.   T he  m ic ro f abr ic at io pr ocess  is  pr i m aril us ed  to  dev el op   the  po ly m e r - base   fabrica ti on   pro cess  [ 15 16] The  c on t rib ution s   of  this  w ork  are   as  f ollo w s:  It  is  sho wn   t hro ugh  finite   e lem ent  analy sis  that   it   is  possible  t a chieve   se ns it ivit of   0.3 14  m V/ mm Hg   us i ng  se nsor   m e m br ane  thick ne ss  of   20  µm   fo press ur ra ng e   of  t 50  m m Hg   with  the   se nsor   m e m br ane  bein fa br i cat ed     from   LCP  (S ect ion   3).  A im pr ov e reci pe   for  LCP  pr e ssu re   sen sor  f abr ic at io is  presente ( Sect ion   4) .     com plete   m i niature bio c om pat ible  sensor  pac kag is  pr opos e (S ect io 5).  The refo re the  novel  te chn ic al   resu lt pr ese nt ed  in   this  wor are   tw ofold:   firstly an   im pro ved   desi gn  of   a LCP  pr e ssu re   se ns or  is   giv e wh ic le ads  to  an  increase  i the  sens or’s  se nsi ti vity   of   up   to  six  tim es  that  of   the  pr e vi ous  desi gn.  Sec ondly,   an  im pr ov e re ci pe  of  the  LC press ur se nsor ’s  fabrica ti on  is  prese nted  t hat  is  ex pected   to  yi el com plete   and w at e r - ti ght  p ac kag i ng s olu ti on.           Figu re  1.   Cr os s - sect ion al   draw ing   of the  LCP  pressure s ens or c on sist in g of  top  m e m br ane  with se ns in m e m br ane ( i n gr ee el li ps e a nd a seale d pr e ssu re  c ham ber       2.   RESEA R CH MET HO D   Accor ding  t the  pr e vious   work   [14] ,   th to LCP   m e m br ane   c onsist of  the  50   µ m   sensing   m e m br ane  a nd  bott om   cavit w hich  is   re quired  t be  seal ed  to   pre ven the  fl uid   flo into  the   ai ca vity .   The  LC press ur e senso is d esi gn e t use  LCP  pac ka ging d ue   to  t he  a dvanta ge  of   bi oc om patibil ity  so   a 100   µ m  thick LCP mem br ane is used to  seal t he a ir cavity  b y h eat  b ondi ng. T he  bo nd i ng  tec hn i qu e is  desc r ibed  i the  ne xt  sect io n.   Si nce  the  a ppli ed  press ur occurs  on   t he  top   m e m br ane,  the  eff ect on  m e m br ane  de fl ect ion  and   stre ss  are   stud ie to  inv e sti gate  their  distribu ti on.  T he   con cl usi ons  of  the  previ ou stud sug geste that   the  se ns it ivit of   t he  de vice  c an  be  im pr ove by  dec reasin the   thick ness   of  se ns in m em br ane,  the   va riat ion  of   se ns in m e m br ane  thickne ss  is  theref or var ie to  de te rm ine  the  app r opriat thickne ss  to  pro vid a   higher  sensi ti vity   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   5 Oct ober  20 19  :   4 0 4 4   -   4 0 5 2   4046   Mod el in a nd  si m ulati on   a re  us e f ul  f or  m ic ro   [ 17 ]   and   na no - scal el ect ro nic  desig [ 18]   3D  m od el   of   the  LCP  pres su re  se nsor  is  bu il us in CO MSOL  Mult ip hysic (v4.3).  The  total   widt an thickne ss  of  t he  to a nd   bo tt o m   m e m br anes  are  m m   and   0.2  m m   r esp ect ively F or   t he  to m e m br ane,   the  cham ber   is   seal ed  wit 10 µm   thick  LCP  bott om   m e mb ra ne.     The   se ns in m e m br ane  thic kn es is   var ie from   15   to  50   µ m   in  ste ps   of   µ m   to  find   the  op ti m al  def le ct ion   that  does   not  excee the  ou te m e m br ane  thickne ss.  T he   structu ral  m e chan ic m odule  is  app li ed  t the  3D  m od el   in  sta ti on a ry  analy sis.  L CP  is   assum ed  li n ear  el ast ic   m ater ia l,  al par ts  are  analy zed  as  li near   el ast i based   on  th s m al l   def orm at ion  assum ption   T he  so li m echan ic interface  i us ed  to  qu a nt ify   and   char a c te rize  the  stress  and   dis place m ent.   The  m at erial   pr operti es  a re  s et   with  U LTR ALA 3850  LCP  sh eet   fro m   Rog er  C orp or at io [8 ]   a nd  li ste in   Table  1.   f ixed  co ns trai nt   is  app li ed  t the  bott om  of   the  de vic to  avo id  th disp la cem ent  of    the ove rall  p a rt.        Table  1.   Ma te r ia l Proper ti es a nd D e vice’s  D i m ension u se i F EM   Prop erties   Valu e   Mater i al   Liqu id  Cry stal Po l y m e (L CP )     1 .4 g m / c m 3   Yo u n g 's Mod u l u s (E )   2 2 5 5  M Pa     0 .3   Dev ice di m en sio n   8  x 8  x 0 .2  m m   Sen sin g   m e m b rane  di m en sio n   2  x 2  x T  *   m m   *  T  is the v ar iab le  th ick n ess  in th e r an g e of    2 0   -   5 0    µm       bounda ry  lo ad  is  a ppli ed  t m od el   the  e xt ern al   pr ess ure   cha ng e ar ound  the   de vice.  T his  e xtern al   pr ess ure  co rres ponds  to  t he  c hange  of   t he  volum of   the  c avity   wh ic re su lt in  the  pre ssu re   cha nges  inside  the  ai ca vity Hen ce the  i nte rn al   pr es sure  c han ge  as   f un ct ion   of   t he  vol um is  def ined   in  an oth e bounda ry  conditi on a pp li ed  in  the ai ca vity . Th e  inter nal press ur e  cha ng e   ( )   is wr it te n i ( 1 )   [19] :     P =   0 ( ( 0 ) ) 1   (1)     w he re  0   is  the  am bient  pr essu r in  ai ca vity 0   is  the  unde f orm ed  vo l um e,    i the  de f or m ed  vo l um unde r   the  exter nal  pr essure  cha nge   and      is  the  adiabati inde of  ai r.   In   t hi case,  0 = at m 0 = 2x10 - 6   µm 3     and    = 1.4 T he   outp uts  of  t he   sim ulati on   are   the   sen sin m e m br ane   disp l ace m ent,  stress   an strai unde a   pr ess ure  of   50  m m Hg The  sensing  m e mb ra ne  dis placem ent  is  evaluated   to  fin it op ti m al  thick ne ss,   wh e re  the  se nsi ng   m e m br ane  is  at   the  center  of   the  t op   m e m br a ne  as  s how in  Fig ure  1.   The  m axi m u m   stress   is  si m ulate to  evaluate  the  acce ptable  thick ne ss  that  do es  not   br ea the  m e m br ane The  strai is  evalua te to   identify   the  ap pro pr ia te   reg i on  on  the  m e mb ra ne  f or   placi ng   th strai ga ug e s.  A fter  the  opti m iz at io t he   strai va riat ion  is  evaluated  w it resp ect   to  a   pr ess ur of   to  50  m m Hg   to   char act erize  the  eff ect   of   va ryi ng   the m e m br ane  thickne ss.    The  purpose  of  this  prese nt  work   is  t im p rove  the  se ns it ivit of   the  pr e vious  de sig n,   t he  m axi m u m   strai an outpu volt age  ar us ed  to  obse rv the  se ns or   respon se  a nd   com par the  eff ic ie ncy  betw een  the   pr e vious  a nd  pr ese nt  desig ns.  T he  resu lt of  sim ulate strai a re  us ed   to  cal culat th relat ive  c ha nges  i resist ance  f or   the  resist ors  in  orde to  obt ai the  sens or   sensiti vity The  cha nge  in  strai f ro m   the  FEM   analy sis i s u se to  calc ulate  t he  se nsor ’s o utp ut  volt age  wh en varyi ng t he se ns in m e m br ane’ s  thick ness .     V o V s   α 4 α 1 α 4 α 1 4   (2)     wh e re     an   ar the   ou t pu t   volt age  a nd  s uppl volt age   res pe ct ively 1   an 4   a re  t he   relat ive   changes   in   resist ance  f or  the  resist ors  i te rm of   th su r face  strai an d   can  be  fou nd   from   the  relat ive  cha ng i n   resist ance  for  a  r esi sto se gm e nt d e f or m ed  by  b ei ng  bonde d t the t op of t he  p la te   [ 14] .       3.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS     The  FEM  re sul ts  sh ow  the  de flect ion st res and   st rain  of   the  m e m br an under   t he  pr essure  ra ng e     of   t 50   m m Hg.  T he  re su lt of  the  sim ulate strai are  use to   dete rm i ne  the   sensiti vi ty   of   the   sen sor  w hich   is com par ed  t o t he  ex pe rim ent al  r esults  from  the   pre vious  de sign.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Sensi ti vi ty  a nd  pa ck agin im prove men of  an LCP  pr ess ur sens or  fo r   .... (Pre edip at  Sa tt ayaso onth or n)   4047   3.1.   Fini te  el emen t  method  for m echanic al pr oper ties  analysi s     Figure s   2,  a nd  s how  t he   sim ulatio ns   of  m e m br ane  de flect ion ,   stress   an str ai as   f un ct io of   m e m br ane  thic kn e ss  un der   pr ess ure  of  50   m m Hg   resp e ct ively In   Fig ure  2,   if  t he  m e m br ane  is  thin ner   t ha 20   µm the  m e m br ane  will   def le ct   su ch  that  it   reaches  the  bott om   m e m br ane,  the refor f or   this  se ns or  desig the  sensing  m e m br ane  ca only   be  con si de red   in  the  ra nge  of   20   to  50  µm The  te n sil streng th  of  LCP  m e m br ane  is  282  MPa Fig ur sho ws  the  si m ulati on   of   m axi m u m   stre ss  in  the  x - dir ect ion it   can  be   seen   t hat the stres do e s not e xcee this  value  for t he  m e m br ane th ic knesses  of  20 to 50 µm , as  su c the  m e m br ane  is n ot expect ed  to fai l. Fig ure  s hows  that th e m axi m u m  str ai is f ound at  the edges  of th e m e m br ane.           Figure  2 .   LCP  m e m br ane  def l ect ion   for diff e ren t t hick ness wit press ur e  of  50 m m Hg  in  the  cr os s - sec ti on   al ong  the  w i dt h           Figure  3 .   X - co m po nen of the  LCP m e m br an e stress a s the  fun ct io n o m e m br ane th ic kn ess un der a  pr e ssu re   of 50 m m Hg  in  the c ro s s - sect i on al ong t he w idth       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   5 Oct ober  20 19  :   4 0 4 4   -   4 0 5 2   4048       Figure  4 .   X - co m po nen of the  LCP m e m br an e str ai n u nd e a  pressure  of  50 m m Hg   in the c r os s - se ct ion   al on t he  w idt h       Hav i ng  sel ect ed  the   acce pt able  ra nge  of   sensi ng   m e m br a ne  thic knes ses,  Fi gure  shows  the   si m ulate resul ts  of   the  strai va riat ion   as  functi on  of   pr e ssu re  for  dif fere nt  sensing  m e m br ane  thickne sses .   The  press ur e   is  var ie f ro m   to  50   m mHg.  The  strai ev ol ves  f rom   0. 02   at   10   m m Hg   to  0.12   %     at   50   m m Hg   for  50  µm In   the  case  of   20  µm the  strai var ie from   0. 15  at   10   m m Hg   to  0.7 %     at   50  m m Hg Figure  s how the  e vo l ution  of  strai ve rs us  the  thic kn e ss   of  sen sin m e m br ane  va ryi ng  f r om  20 to 5 µm  u nder   pr ess ure  of 50 m m Hg .           Figure  5 .   The  s i m ulate strai n va riat ion   ve rs us   pr es sure  for vari ou s  se ns in m e m br ane thi ckn esse s       3.2.   Senso r   resp onse an al ys is   The  outp ut  vo l ta ge  is  cal c ulate by  us in t he   res ult  of  sim ulate strai fro m   the  FEM.  T he  res ults  of  ou t pu volt age   are  plo tt ed  as   fu nctio of  pr ess ure  for  di ff e ren sensi ng   m e m br ane  thickne ss  as  sho wn   in  Figure  7.   At  50   m m Hg   the   evo l ution   of  ou t pu vo l ta ge   is  plo tt ed  as   functi on  of   sensing  m e m br a ne  thickne ss,  see   Figu re  8.   Th sensiti vity   c an  be  obta ine from   the  gr adient  of  the  ou t pu volt age   ver s us  pr ess ure  gr a ph T he  se ns it ivit pr ese nts  t he  op ti m iz ed  design  to  quantify   the  m easur em e nt  ef fici ency  o the   pr ess ure  sen sor.  F ro m   the  gr ap hs   it   can  be  seen  t he  be st  sensiti vity   occurs  wit the  thin nest  s ensin m e m br ane  of   20 µm  w hich  corres ponds t th e h ig hest st rain  in  Fi gure  6.    To  eval uate  th i m pr ov em ent,  the  sensiti vity   of   sim ulate resu lt an ex pe ri m ental  resu lt   are  us e to   plo the  outp ut   vo lt age  at   t 30  m m Hg   pressure  in  Fig ure  9.   T he  sim ul at ed  res ults  are  pr ese nted  at   20  an 50   µm   thick  sensing  m e m br ane  w hich  a re  0.3 14   a nd  0.0 49   m V/ m m Hg   resp ect ively Th exp e rim ental  resu lt   is  ob ta i ned   fro m   the  pr e vi ou s   desig with  a   50  µm   thick  sensing  m e m br ane  a nd  sho wn  as  0.0 48  m V/ m m Hg .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Sensi ti vi ty  a nd  pa ck agin im prove men of  an LCP  pr ess ur sens or  fo r   .... (Pre edip at  Sa tt ayaso onth or n)   4049   The  e voluti on  of  t he ou t put v oltages is s um m arized at the  pr ess ure  of   a nd 30 mm Hg  in  Ta ble  2.  T he spa n o f   var ia ti on  im pli es  the  highe s ensiti vity   of   th pr ese nt  desi gn.   Hen c e the  20   µm   thick  sensing  m e m br ane  is   sel ect ed  f or the  sen si ng m e m b ran e  f a br ic at io n.           Figure  6 .   Ev ol ution o sim ulate strai n f or va rio us   sensing m e m br ane th ic kness  unde   a press ur of   50 m Hg       Figure  7 .   The  c al culat ed ou t put vo lt age  varia ti on   ver s us   press ur e  for   va rio us  se ns in m e m br ane  thickne sses           Figure  8 .   Ev ol uti on of calc ulate outp ut  volt age   for vari ou s  se nsi ng m e m br ane th ic kness  unde pr ess ure  of 50  m m Hg           Figure  9 .   Com par at ive  sensi ti vity  f or  pr ese nt  and  pr e vious  desi gns  unde r diffe r ent press ur e s       Table  2.   T he  e xp e rim ental  an sim ulate res ults o the  outp ut vol ta ges  at 2 a nd 50 µm  thickn ess   Pressu re  ( m m H g )   Exp eri m en tal  ou tp u t vo ltag   at 50  µ m  thick n ess  ( m V )   Si m u lated  ou tp u t vo ltag   at 20  µ m  thick n ess  ( m V )   Si m u lated  ou tp u t vo ltag   at 50  µ m  thick n ess  ( m V )   5   0 .24 4   1 .55 9   0 .25 1   30   1 .46 3   9 .53 6   1 .55 8       4.   PROP OSE D PAC KAGI N   The  de vice  is  desig ne to   be   fa br ic at ed   ent irel from   LC P,  ULTR ALAM   3850  LC sh eet   f r om   Rog e Co rpo ra ti on   [ 20]   is  use to  fabrica te   the  co re  la ye r.   P rev i ous  w ork  has  pro ved  the  validit of  the   fabrica ti on   pr oc ess es  and   the  recipes  with  L CP,  howe ver,  im pr op er  pack a ging  was  disc usse as  the  cau se  of   po te ntial   water   le aka ge  int t he  ca vity   of  th press ur e   sen s or.  I this  case the   prese nt  de sign  is  propos ed  t i m pr ove  upon   the  pr e vious   LCP  pack a ge   fa br ic at io n.   LCP  bo ndply  is  ap plica ble   to  us i m ulti la ye const ru ct io a nd   la m inati on   [21]   since  the  el ect rical   pr op e rtie an m oistur absorp ti o are  sim il ar  to   ULTR ALA M 385 0.   T he  lo and   sta ble  diele ct ric  con sta nt  and   si gn al   los s   m ake  the  bondply  su it able f or  h ig fr e qu e ncy  ap pl ic at ion in  te le com m un ic at i on.  The  lo el ast ic   m od ulu pro per ty   offe rs  the  be ne fit  in   m echan ic al   flexibili ty The  m el t ing   tem per at ur of   L CP  bondply  is  approxim at e ly   28 5 °c  w hich  is  le ss  than   that  of  ULTR ALA M   38 50  ( 315° c ),  s this   pro per ty   facil it at es  the  proces of  t her m al   bond i ng.  ULTR ALAM   3908  bondply  sh eet  is  us e to  adhere  the c or e lay ers.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   5 Oct ober  20 19  :   4 0 4 4   -   4 0 5 2   4050   The  pr es ent  de sign   c onsist of  tw c or la ye rs  (t op  an bott om and   a a dhesi ve  la ye r T he  to c or e   la ye is  fabrica te as  s how in  Fig ur e   10.   10 µm   t hick  LCP  c oppe cl ad  is  te m porar il at ta ch ed  to  a   sil ic on   wafer   by  us in ph otoresi st  and   trans ferred  th sq ua re  m as onto  the  to surface  as  sh ow   in  Fig ur e 10(a ) The  bar e LCP   betwee the  s qu a re  m ask  is  et ched   to buil the  20  µm   thick   se ns in m e mb ra ne   an t he  ca vity The  t op   c op per   la ye is  th en  et che off  as  show in  F igure  10( b).  T he  to co re  la ye is   rem ov ed fr om  the sili con w a f er  by u si ng ace ton e a s s how n i Fig ure  10(c).              (a)   (b)   (c)     Figure  10.   T op  core lay er  fabr ic at ion : (a Etc hed an d sq uar e - patte r ned LCP  sh eet   for  LC et ching pr oces s,  (b) 20 µm  thic se ns in m e m br a ne  a fter  LCP et chin g , a nd ( c)  T op core l ay er af te r  r em ov in g photo resis t       The  bott om   cor la ye is  fab r ic at ed  as  sh ow in  Fig ur 11.   Anothe 100  µ m   thick  LCP  coppe cl ad  is  tem po rar il at ta ched   to  sil ic on   waf e to   et ch  the  top   coppe la ye as  sh ow in  Fig ure  11(a).  The  bott om  cor la ye is  re m ov ed  from   th su pp or wa fe as  show in Fig ure  11( b). N ext, U LTR A LAM  3908 b ond  ply  is   cut   to m ake  2x2  m m window and ali gnm ent m ark s w it a   CO 2   la ser.            (a)   (b)     Figure  11. B ottom  co re lay er  f abr ic at io n: ( a ) Et ched to c opper la ye of LC P sh e et     and ( b) Bott om  core lay er a fter r em ov in g p hoto resist       The  bond ply   sh eet   is  sa ndwi ched  bet wee the  co re  la ye r by  us in al i gn m ent  m ark an passe thr ough  the   th erm al   bo ndin as  s how i Figure  12(a ).   Both  c oppe l ay ers  are   et ch ed  off  as   s hown  i   Figure  12 (b).   The  to co re  la ye is  deposite with  the  ph otoresi st  and   t ra nsfer re the  serp e ntine  m as by   us in back si de   al ign m ent  in  photo li th ogra phy  proces s.  Ti /Au  is  s putt ere on  t he  s urfa ce  to  m ake  m et al lic   strai ga uges  a show in  Fig ur 12(c an passe to  the  l iftof proce ss  to  rem ov phot or esi st  a nd   le a ve  the   strai n gau ges  a s sho wn in Fi gure  12(d ).             (a)     (b)         (c)   (d)     Figure  12. Pac kag i ng for LC P press ur e  se nsor:  (a) Sa ndwi ched co ns tr ucti on of t op core l ay er, bon dp ly   and  bo tt om  co re  lay er af te r  the rm al  b on ding, ( b) Exp os ed  LCP  after c oppe et chin g,   (c) P ho t or esi st  de po sit ion  and Ti/ A s pu t te ring on t he  to c or e  lay er,  a nd (d) B on ded  LCP p ress ur e  s ens or   with  gold se rp e ntine  str ai gauges  after  li f t - off pr ocess     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Sensi ti vi ty  a nd  pa ck agin im prove men of  an LCP  pr ess ur sens or  fo r   .... (Pre edip at  Sa tt ayaso onth or n)   4051   5.   DISCU S S I ON   pac ka ged   L CP  pr es sure  se ns or  is  pr opose an a naly zed   f or   ICP  m on it or in g.   T his  present  st udy   sh ows  that  dec reasin the  thickne ss  of   the  LCP  sensing  m e m br ane  can   i m pr ov the  s ensiti vity   of   the  dev ic e .   The  sim ulati on   res ults  at   20  µ m   thick  sensi ng  m e m br ane  in dicat es  m or th an  si x - fo l in crease  in  sensit ivit y   wh e c om par ed  to  ex pe rim en ta resu lt with   50   µm   thick  sensing  m e m b ran that  was  r eported  in  pr e vious   work   [14] The re  are  oth e al te rn at ive  ways  to  possibly   i m pr ove  the  sen sit ivit su ch  as  in creasin the  nu m ber   of   tu rns  of   the  serp e ntine  strai ga ug e w hich   can  be  done  by   decr easi ng  th strai gauge  width.  A no t her  way  to  inc rease  se ns it ivit is  ch ang i ng  the   pl ace m ent  of  st rain  ga ug e t be  on  t he  sensing   m e m b ran e   The  pro pose f abr ic at io proc ess  will   le ad  to  co m plete   L CP   structu re  w hich  can  be  use as  m iniat ur an bio c om patible   sens or he r m et ic  pack a ge  will   be  con si de red   in  f urt her  fab ricat io pr ocess.   I f utur wo r k,  the  com plete LCP  sen sin unit   will   be  int egr at e wit the  data  tran sm issi on   unit   that  inclu des  the   powe r   so urce  of  the  sens or LCP  s he et   will   be  us ed  to  support  th el ect rical   co m po nen ts  an encapsulat th data  transm issi on   unit Alth ough  it   is  well   kn own  t hat  reduci ng   t he  sens or  m e m br ane  thi ckn e ss  im pr oves  the   sensiti vity   of   a   sens or,  it   has  been  sho w in  this  w ork  that  us in 20  µm   LCP  press ur s ens or   t hick nes will   yi el fu ll functi on al   se nsor   ov e the  requi red   pr e ssure  ra ng f or   ICP  m on it ori ng.  T his   resu lt   ha not  bee pr ese nted  else wh e re.       6.   CONCL US I O N     This  work  pre sents  detai le desig n,   sim u la ti on - based  c har act erizat io n,  an pro posed   fabrica ti on   process  of  pa ckag e LCP  pr ess ure  sens or  for  intracra ni al   pr essu re  sensing.  T he  de sign   is  stud ie and   op ti m iz ed  to  im pr ov t he  se nsi ti vity   of   the   s ens or .   T he  m ajo r   physi cal   cha racteri sti cs  an de vice   beh a vi or  are   m od el ed  via FEM. Th e stu dy sh ows that the  p r opos e desi gn   of  a 20  µm   thick sen si ng   m e m br ane can   op e rate   unde the  pres su re  range  of  to  50  m m H with  sensi ti vity   of   0. 31 m V/ m m Hg detai le fa bri cat ion  process  is  pro pose to  com plete   the  L CP  pack age The  pro pose desig re pr ese nts  ste towards  reali z ing   a   m iniat ur e b i oc om patible  w ire le ss pressure  s ens or   f or  t he u se in  ICP m on i toring a nd  healt hcar e a ppli cat i on s .       ACKN OWLE DGE MENTS     This  res earc has  been   f unde by  FY2 016  Thesis  Gr a nt  f or   D octoral   De gr ee  Stu den unde Nati on al   Re search  Co unci l of  T haila nd  (N RC T th rou gh Mahi do U ni ver sit y.       REFERE NCE S   [1]   Surgeons  BTF AA   of  NSC  of  N.   Guidel in es  for  the   m ana gem ent   of  seve r tr a um at ic   br ai in jur y   3rd  edi t ion ,”   Journal  of  neur osur gery ,   vol/ is sue:  24(212) ,   p p.   S1 - 106 2007 .   Availabl e :   ht tp :/ /www . ncbi.nl m . nih. gov /pubmed   /17511534 .   [2]   Stei ner   L A .   an d   Andrews   P J D. ,   Monitori ng   the   inj ur ed  bra in ICP  and  CBF ,”   Brit ish  Journal  of  Anae sthesia vol/ issue:  97(1) ,   pp.   26 - 38 2006 .     [3]   Rec om m enda ti ons  for  Intracra n ia Press ure   Monitori ng  Technol og y ,”   Journal  of   Neurotrauma v ol/ issue:  17(6 - 7) pp.   497 - 506 20 00.   Avai la b le   fro m htt p://ww w.l i ebe rton li ne . com/ doi/ abs/10 . 1089/ neu. 2000. 17 . 497 .   [4]   La vini A .   and   Menon  D K. ,   Intra cr anial  pre s sure:  W h y   we  m onit or  it ,   how  to  m onit or  it ,   what  to  do  with  t he  num ber   and  wha t’s  the fut ur e ?   Curr ent   Opinion   in Anae sth esiology ,   vo l/ issue:   2 4(2) ,   pp .   117 - 23 2011.     [5]   Zhong  J . e al.,   Advanc es  in  ICP  m onit oring  te chni qu es ,”   Neu rologic al  R ese arch ,   vol/is sue:  25 (4) ,   p p.   339 - 50 2003.   Avai la b le   from htt p: // ww w.t andf onl ine.c o m /doi /ful l/ 10 . 11 79/01616410  31 01201661 .   [6]   Kawoos   U . et   al . ,   Too  m uch  pre ss ure wire le ss   int rac r ani a pre ss ure   m onit oring  and  it appl ic a t ion  in  tra um at i bra in injuries ,”   S ci en ti fic  Ame ric an ,   vol /i ss ue:  16 (2) ,   pp .   39 - 53 2 015.     [7]   Satt a y asoontho r P . et   al . ,   LCP  MEM i m pla nta bl pre ss ure   sensor  for  Intra cra nial  Press ure   m ea surem ent ,”   i The  7th  IE EE   I nte rnational   Co nfe renc on  Na no/Mol e cul ar  M edi c ine   and   En gine ering ,   IE EE ,   p p.   63 - 7 201 3.   Avail ab le   f rom : http: / /i e ee xp lore. ie e e. org/do cume nt/ 6766317/ .   [8]   Min  K S . ,   et   al. ,   li quid  cr y s ta pol y m er - bas ed  neur om odulation  s y stem:  An  appl icati on  on  a nimal  m odel   of   neur opat h ic   p ai n ,”   N euromodulat ion ,   vo l/ issue:   1 7(2) ,   pp .   160 - 9 2014.     [9]   W ang  K .,   et a l.,   Flexi ble   n erv e   stim ula ti on   elec t rode   with   iri d iu m   oxide   sput t ered on  l iqui cr y st al   po l y m er ,”   IE E Tr ansacti ons on Biomedical Engineering ,   vol/is sue:  56(1) ,   pp .   6 - 14 2009 .     [10]   Le S E . ,   et   a l. ,   fle xible  dept probe   usi ng  li quid  cr y s tal  pol y m er ,”   IE EE   Tr ansacti ons  on  Bi omedic a Engi ne ering ,   vol /i ss ue:   59(7) ,   pp .   2085 - 94 2012   [11]   R.   N.  Dea n,   et   al . ,   Novel  biomedic al   implan t   int erc onn e ct u ti lizing  m ic rom a chi ned  LCP ,”   i n   Proce edi ngs  o SPIE ,   p p .   88 - 99 2004 .   Ava il ab l from htt p: // l i nk. ai p . org/link/ ?PSI/5515/88/ 1& Agg=doi%5Cnht tp: / /procee dings .   spiedi gitallibrar y . org/procee d ing . aspx ? doi =10. 11 17/12. 559831   [12]   Qin  Y . e a l.,   Pol y m er  in te gra t ion  for  p a cka gin of  implant ab le  sensors ,”   Senso rs   and  Ac tuat or s,  B:  Chemi cal ,   vol.   202 ,   pp 758 - 78 2014 .   Ava ilable from: http:// dx. doi. org /10. 10 16/j . snb.2014 . 05 . 063 .   [13]   W ang  X . et   al.,   Li quid  cr y sta pol y m er  for  ME MS Proce ss es  and  appl i ca t ions ,”   Journal  of  M icr omec hanic an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   5 Oct ober  20 19  :   4 0 4 4   -   4 0 5 2   4052   Mic roengin ee rin g ,   vol .   13 ,   pp .   62 8 - 633 2003 .   Av ai l abl e   from ht t p:/ /www . iop. org /E J/abstr ac t /096 0 - 1317/13/ 5/314   [14]   Satt a y asoontho r P . et   al . ,   On  the   Feasibility   of  Li quid  Cr y sta Pol y m er   Press ure   Senso for  In tra cr ania l   Press ure   Mea surem ent ,”   B iomedical Engi ne ering/Biomedi zinisch e T ec hnik .   ( in  pr ess).    [15]   Velt en  T . ,   e al . ,   Packa ging  of  bio - M EMS :  St rat eg ie s,  technol ogie s ,   and  appli ca t ions ,”   IEEE  Tr ansacti ons  on  Adv anc ed Pac ka ging vo l/ issue:   28(4) ,   pp .   533 - 46 2005   [16]   Mapa to  M . e t   al . ,   Metal - e m bedde SU - 8   slab  te chni qu e for  low - res ista nce   m ic rom achine inductors ,”   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring ,   vo l/ issue:  8 (6) ,   pp.   4772 - 80 2018   [17]   Cabe ll o - ruiz  R . et   al.,   Displacem ent   m ec han ical  ampl ifi ers  d e signed  on  pol y - sili con ,”   In te rna ti onal  Journal  o El e ct rica and   C omputer  Engi n e ering  ( IJE CE) ,   v ol/ issue:  9 (2) ,   pp .   894 - 901 2019   [18]   Bouneb  I .   and   Kerrour  F. ,   Nanom et ric   m odel i za t ion  of  gas  struct ure ,   m ult idi m ensiona using  c om sol  software ,”   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring ,   vo l/ issue:  8 (4) ,   pp.   2014 20 2018   [19]   Ohania H C .   a nd   Marke rt  J T. ,   Phy sics  for  En gine ers   and  Sci e nti sts (T hird  Edition) , ”  pp.   647 - 9 2007 .   Availabl from htt p: // ww w.a m az on. com/dp/0393929698 .   [20]   Rogers  Corpora t ion ,   ULTRAL AM ®  3000  fle xibl copp er  c la d   la m ina te   and  b ondpl y , ”  2016 .   Avail ab le   from :   htt ps:// ww w.rog ersc orp.com /docum ent s/730/a cm /ULT RALAM - 3000 - LCP - la m inate - da ta - she et - UL TRALAM - 3850. aspx   [21]   Kingsle y   N. ,   Li quid  cr y st al   pol ym er :   Ena bli ng  n ext - gen era t ion  c onfo rm al   and  mul ti l a y er  e le c tron ic s ,”   Mi crowave  Journal ,   vo l.  51 ,   pp.   18 8 - 200 ,   Ma y   2008 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.