طراحی حسگر پوستی فشار مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی براساس تغییرات توری گرافنی

مقدمه: در این مقاله یک حسگر فشار، قابل نصب روی پوست بدن، بر‌اساس تشدیدگرهای پلاسمون سطحی (spr) مبتنی بر گرافن ارائه شده است. در ساختار پیشنهادی لایه توری گرافنی، روی بستر sio2، باعث تحریک پلاسمون‌ها در یک طول موج خاص می‌شود که نتیجه‌ تغییر در دوره تناوب توری به علت وجود فشار خاصی در بدن است. شبیه‌سازی‌ها در دو بخش مکانیکی، با روش fem، و پلاسمونیکی با روش fdtd، انجام پذیرفته است. تغییرات فشار در بخش مکانیکی، در محدوده صفر تا 300 میلی‌متر جیوه بوده که در ادامه نیز طول موج متناسب با هر فشار تعیین شده است. به‌عبارت دیگر با برقرار ارتباط بین نتایج هر بخش، طول موج منحصر به فردی برای هر فشار مشخص شده است. پاسخ سریع، تکرارپذیری، قابلیت توسعه اندازه‌گیری پارامترها، وسیع بودن محدوده تغییرات فشار، از مزایای این حسگر هستند. روش بررسی: روش بررسی شبیه‌سازی عددی بوده که روش عددی fdtd برای بخش پلاسمونیک و از روشfem‌ برای بخش مکانیکی استفاده شده است. از نرم‌افزارهای  lumericalو matlab برای محاسبات پلاسمونیکی (fdtd) و نرم‌افزار comsol برای محاسبات فشار (fem) استفاده شده است. نتایج مربوطه، اعم از پاسخ‌‌های طیفی، انعکاس، بازتاب و جذب با کد نویسی محاسبه و مورد بررسی قرار گرفته‌اند.یافته‌ها: در محدوده فشار بدن روی تغییرات بالاتر و پایین‌تر از حد طبیعی (mmhg 120) جابجایی طول موج تشدید به‌خوبی مشاهده شده است. این تغییرات برای محدوده طول موجی 9500-700 نانومتر اتفاق می‌افتد که نتایج به‌دست‌آمده بخوبی این موارد را نشان می‌دهد. با اعمال مشخصات لایه‌ها، میزان تغییرات از نظر ساختار مکانیک برای محدوده مورد نظر محاسبه شده است. جابجایی مد نظر در مقیاس نانو است که با ایجاد ارتباط میان نتایج ساختار مکانیکی و پلاسمونیکی، طول موج تشدید مختص هر فشار محاسبه شده است. نتیجه‌گیری:استفاده از حسگرهای پلاسمونیکی فشار بر اساس سازوکار spr، حساسیت و انتخاب‌کنند‌گی بالایی برای تشخیص فشار ارایه می‌کنند. سهولت در استفاده، سادگی ساختار، برنامه‌پذیر‌بودن و قابلیت اندازه‌گیری دیگر پارامترها از خصوصیات بارز ستفاده از این حسگر است. قرار گرفتن این حسگر بر روی شریان بدن قابلیت کنترل فشار را فراهم می‌کند، که برای بیمارانی که از نظر فشار تحت مراقبت هستند بسیار کاربردی و مفید است.

design and numerical simulation of surface plasmon resonance (spr) skin pressure sensor based on graphene grating-sheet modifications

in this paper, we present a skin-pressure sensor with graphene based on surface plasmon resonators (spr) mechanism. the result of applying body pressure is a change in the period grating. the spr excite in a specific wavelength with placing graphene on the sio2 substrate. the simulations have been done in two parts, mechanical (by fem method) and plasmonic (by fdtd method). pressure changes in the mechanical part are in the range of 0 to 300mmhg and the wavelength is determined according to each pressure. in other words, a unique wavelength has been determined for each pressure by connecting the results of each section. fast responses, repeatability, ability to develop parameters measurement and wide range of pressure are among the advantages of this sensor.