Parallel dynamic characterization of blood using piezoelectric MEMS resonators in temperature-controlled measurement system

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein paralleles Messsystem zur Bestimmung der Viskosität von Blut mittels piezoelektrischer MEMS Sensoren geplant und implementiert. Mit dem Messaufbau können vier Proben gleichzeitig gemessen werden. Dadurch können zukünftig mehr Messdaten gewonnen werden. Weiters können dadurch Fragen wie die Reproduzierbarkeit von Messungen und ob der Biegebalken des Sensors die Probe durch seine Schwingungen beeinflusst in zukünftigen Projekten untersucht werden. Der erste Schritt der Arbeit war es, eine Flüssigkeitszelle zu konstruieren, welche ein Reservoir enthält, in der die Testflüssigkeit eingefüllt und in Kontakt mit dem MEMS Sensor gebracht werden kann. Weil die Viskosität stark temperaturabhängig ist, wurde eine Temperaturregelung implementiert, mit welcher die Proben auf Körpertemperatur erhitzt werden können und diese während der gesamten Messung konstant gehalten werden. Um die Temperatur zu messen wurden PT100 Sensoren in Kombination mit einem Multimeter mit integrierter Switch Matrix verwendet. Zur Messung der Konduktanz wurde ein Impedanzmessgerät in Kombinaton mit einer Switch Matrix verwendet. Die Switch Matrix war erforderlich, um die Verbindung zwischen dem Messgerät und einem der Sensoren zu wechseln. Für den Anschluss des Impedanzmessgerätes mit dem Sensor wurde eine Printplatte designt, auf der jede einzelne Elektrode individuell angeschlossen werden kann. Zusätzlich wurde eine Kompensationsschaltung zur Reduzierung parasitärer Effekte implementiert. Die Software für die Temperaturregelung und für das Impedanzmessgerät wurden in Python implementiert, wobei eine grafische Benutzeroberfläche relevante Parameter während der Laufzeit anzeigt. Zum Schluss wurde eine Blutmessung über einen Tag gemacht, wobei Blutproben zu drei verschiedenen Zeiten abgenommen wurde. Um die Viskosität zu bestimmen, wurden die gemessenen Konduktanzverläufe an der Stelle der Resonanz an die mathematische Gleichung eines Serienschwingkreises gefittet. Es wurde gezeigt, dass eine korrekte Kalibrierung des Impedanzmessgerätes vor der Messung für ein korrektes Fitten der Datenpunkte wichtig ist. Mit der implementierten Temperaturregelung konnten die Flüssigkeitszellen im Bereich von +/-0.31°C gehalten werden.

Within this thesis, a parallel measurement setup for the characterization of the viscosity of blood with piezoelectric MEMS sensors was planned and implemented. The setup allows the measurement of four blood samples simultaneously. This is important to gain more measurement data and to clarify questions like the reproducibility of measurements and if the cantilever influences the sample due to its movements in future projects. The first part of this thesis was to design a liquid cell, which contains a reservoir for the liquid under test and a place where the MEMS sensor can be mounted onto and is brought in contact with the liquid. Because the viscosity is highly temperature-dependent, a temperature control was realized, which is capable of heating the liquid cell at body temperature with a Peltier element and maintaining the temperature during the measurement. To measure the temperature, PT100 sensors were used in combination with a high performance multimeter with integrated switch matrix. To measure the conductance, an impedance analyzer in combination with a switch matrix was used. The switch matrix was needed to iterate the connection between the analyzer and one of the sensors. A printed circuit board was designed to connect the signals of the impedance analyzer with the sensor and to map each electrode of the sensor individually. Additionally, a compensation structure for eliminating parasitic effects on the sensing signal was implemented on the PCB. The software for the temperature control and the impedance analyzer were implemented in Python and show runtime parameters via a GUI. A blood measurement over a day was made, where blood samples at tree different times from the same person were taken. The viscosity was determined by fitting the conductance peaks with a series resonance circuit. It was shown, that a proper calibration of the impedance analyzer before the measurement is essential for a proper fit. With the implemented temperature control, a temperature range of +/-0.31°C was reached for all liquid cells.