This work included two separate studies; the common theme in each was the use of mode-I fracture testing to evaluate wood adhesion. In the first study, mode-I fracture testing was used to compare the thermal stability of polyurethane (PUR) and resorcinol-formaldehyde (RF) wood adhesives. Bonded specimens for both adhesives were subjected to prolonged thermal exposure, and fracture testing was subsequently conducted after re-equilibration to standard test conditions. It was found that both PUR and RF suffered a significant fracture energy loss after heat treatment, and that RF was more thermally stable than PUR, as expected. However, both adhesives suffered significant thermal degradation, and fracture testing did not distinguish the RF system as being clearly superior to PUR. Dynamic mechanical analysis (DMA) was also used to analyze and compare the thermal softening of PUR and RF in terms of the decline in storage modulus. DMA results indicated that PUR specimens suffered greater stiffness loss due to simple thermal softening. Because fracture testing indicated that both adhesives suffered significant degradation, the DMA results suggested that the generally superior fire resistance of RF adhesives is born from greater high temperature stiffness; whereas the more compliant PUR suffers greater immediate softening during thermal exposure. In other words, both systems suffer from thermal degradation, but the more highly cross-linked RF system suffers less thermal softening and therefore maintains a greater load carrying capacity during fire exposure. In the second study, mode-I fracture testing was used to test the effects of wood surface thermal deactivation (surface energy reduction) on the adhesion between southern pine wood (Pinus spp.) and polyethylene (PE). Pine specimens were progressively surface deactivated by 185°C heat treatments for periods of 5, 15, and 60 minutes. Control and deactivated pine laminae were subsequently hotpressed/bonded using PE film as the adhesive. Mode-I fracture testing was conducted under the assumption of linear elasticity, however load/displacement test curves suffered from a severe degree of nonlinearity believed to be caused by PE bridging behind the advancing crack tip. Instead of applying a nonlinear data analysis, a standard linear elastic analysis was conducted and deemed acceptable for comparative purposes within this study. Under dry conditions (unweathered specimens), 5 and 15 minute thermal treatments resulted in progressively worse adhesion (lower fracture energies) when compared to control surfaces; but the 60 minute heat treatment improved adhesion relative to 5 and 15 minute treatments, and showed a trend of improving adhesion as surface deactivation became more extreme. Simulated-weather resistance was also studied and it was determined that the highest degree of surface deactivation slightly improved weather durability in comparison to control surfaces. Overall, the findings here were similar to those in a previously published work- thermal deactivation of wood surfaces shows promise as a method to improve adhesion between wood and nonpolar polyolefins. / Master of Science

This work describes the development of an improved mode I fracture testing procedure for adhesively-bonded wood, and demonstrates the sensitivity of this approach. The two significant improvements were: 1) the use of the flat double cantilever beam (DCB) geometry, which has been uncommon for wood and 2) the application of an established and powerful data analysis using a corrected compliance method from beam theory. Three studies were conducted using various wood adhesives and DCB specimens were fabricated from yellowpoplar (Liriodendron tulipifera) sapwood. The sensitivity of this methodology showed significant differences in fracture performance as the degree of cure increased for a phenol formaldehyde adhesive, and yielded maximum strain energy release rate (SERR) values of 370 - 560 J/m2. A second study showed performance differences between two polymeric diphenylmethane diisocyanate (pMDI) adhesives and one polyurethane adhesive. Typical maximum SERR values were 160 and 130 J/m2 for the pMDI adhesives and 160 J/m2 for the polyurethane adhesive. A third study investigated the effect of loading rates on a cross-linked polyvinyl acetate adhesive and maximum SERR values of 370 - 560 J/m2 were achieved. Adhesive penetration and cure were determined by image analysis with fluorescence microscopy, and by micro-dielectric analysis, respectively. Since the geometry of the fracture procedure dictates the absence of wood failure, the resulting fractured surfaces were readily analyzable. The surface analysis techniques of laser ionization mass analysis, solid-state nuclear magnetic resonance and field emission scanning electron microscopy were used to investigate the locus of failure for the smooth fractured surfaces. / Master of Science

A conversão de energia vibracional do ambiente em energia elétrica através de dispositivos piezelétricos tem recebido crescente atenção na última década. Com intuito de melhorar o desempenho destes tipos de dispositivo, são discutidos os benefícios da introdução de não linearidades nestes sistemas. O dispositivo utilizado é uma viga cantilever tipo bimorph, parcialmente recoberta por material piezelétrico, com massas magnéticas concentradas na extremidade livre da viga que geram forças magnéticas não lineares. Nesse dispositivo, além da não linearidade proveniente dos magnetos, considera-se também a não linearidade inerente ao material piezelétrico. A solução das equações eletromecânicas acopladas, que descreve o movimento do conversor piezelétrico de energia, é encontrada numericamente resolvendo-se um conjunto de equações diferenciais ordinárias com condições iniciais dadas. A resposta em frequência do sistema é aproximada pelo método perturbativo das múltiplas escalas. A potência elétrica gerada é analisada variando-se alguns parâmetros, como intensidade da força de excitação, distância entre os magnetos da extremidade livre da viga e resistor de carga. A estabilidade do sistema também é investigada através de uma análise dinâmica, de onde se conclui a influência da distância entre os magnetos juntamente com a intensidade da força de excitação nesta estabilidade. Estes parâmetros também influenciam na faixa de frequência de operação do dispositivo. É observado que os efeitos não lineares presentes no dispositivo fazem com que este opere em uma ampla faixa de frequência. É realizado o estudo de incertezas em alguns parâmetros do conversor de energia piezelétrico, através de simulações de Monte Carlo, concluindo a influência destes na frequência natural e na potência elétrica gerada pelo dispositivo. Através de ensaios experimentais confirmam-se os benefícios da introdução de não linearidades nos geradores de energia piezelétricos. / Piezoelectric energy harvesting has received great attention over the last years. The main goal of this work is to discuss the potential advantages of introducing nonlinearities in the dynamics of a beam type piezoelectric vibration energy harvester. The device is essentially a cantilever beam partially covered by piezoelectric material with a magnet tip mass. Also, we consider the nonlinear constitutive piezoelectric equations. The electromechanically coupled equations are solved numerically, through the initial value problems for ordinary differential equations. The frequency response of the system is approximated using the method of multiple scales. The electrical power output is calculated by varying the amplitude of the base acceleration, the distance between the magnets and the load resistor. The stability of the system is also investigated. Stochastic variations are introduced in some key parameters and the propagation of these uncertainties is investigated through Monte Carlos simulations. From the numerical results it is found that the influence of the parameters investigated in the frequency range of operation of the device and the nonlinear effects present on the device energy harvester extend the useful frequency range of these. Moreover uncertainty parameters affect the natural frequency and the power output harvester. Through experimental tests it has been confirmed the benefits of introducing nonlinearities in piezoelectric energy harvesters.

Esta pesquisa teve como objetivo avaliar, o comportamento das tensões na estrutura de suporte peri-implantar, decorrentes da pressão atuante sobre uma prótese fixa revestida em cerâmica, por meio do método fotoelástico. Foram confeccionadas três mandíbulas em resina fotoelástica, cada uma contendo 5 implantes hexágono externo de 3,75mm de diâmetro, com comprimentos variáveis denominadas MOD10 (implantes com 10mm); MOD13 (implantes com 13mm); MOD15 (implantes com 15mm), localizados na região interforaminal, paralelos entre si. Foi construída uma estrutura de prótese fixa em cobalto/cromo, com extensão distal bilateral (cantilever) de 15mm de comprimento, revestida por cerâmica, aparafusada sobre pilares micro unit com cinta de 1,0mm. Foi realizado um correto ajuste oclusal, em máxima intercuspidação, entre os dentes antagonistas. Os modelos foram submetidos à pressão de 1,0 e 3,0 bars, de forma a incidir axialmente sobre os implantes. O comportamento foi avaliado por visualização direta, em tempo real, e pelas imagens realizadas por meio dos registros fotográficos. Os resultados mostraram que, quanto maior o comprimento do implante, maior a propagação de tensão ao longo do corpo do implante e nos seus ápices; os implantes localizados mais distalmente, próximos ao cantilever, apresentaram maiores tensões em relação aos demais; o aumento do comprimento do implante aumentou a propagação de tensão ao longo da estrutura mandibular, como o corpo e ramo ascendente da mandíbula. Concluiu-se que: 1. Quanto maior o comprimento do implante suporte de prótese fixa, revestida em cerâmica, as tensões são mais distribuídas ao longo do seu corpo e ápice, propagando-se pelas estruturas mandibulares. 2. Os implantes próximos ao cantilever são os mais sobrecarregados, apresentando as maiores tensões. / The purpose of this research was to evaluate, using the photoelastic method, the behavior of tensions on peri-implant-supported structure deriving from pressure applied to a ceramic-coated fixed prosthesis . Three photoelastic-resin mandibles were built, each of them containing five 3.75-mm external hexagon implants with variable lengths and denominated MOD10 (implants with 10mm), MOD13 (implants with 13mm), MOD15 (implants with 15mm), located in parallel with each other in the interforaminal region. A fixed cobalt/chrome prosthesis structure was built with 15mm-bilateral-distal-length (cantilever), coated in ceramic, and screwed onto microunit pillars with a 1.0mm belt. A proper oclusal adjustment was performed at maximum intercuspation between antagonistic teeth. Models were submitted to pressures of 1.0 and 3.0 bars applied on implants at axial ends. Their behavior was evaluated by direct real-time visualization and by photographic images. Results showed that the greater the implant length, the greater the propagation of tension along implant length and on its apices; implants distally located, next to the cantilever, presented greater tensions in relation to others; as implant length increase, propagation of tension along the mandibular structure, such as the mandible body and ascending arm, also increase. Conclusion was 1. The longer the fixed-prosthesis-supported implant, coated in ceramic, the more tensions are distributed along its body and apex, propagating along mandibular structures. 2. Implants closer to the cantilever are those supporting the highest load and presenting the highest tensions.

A conversão de energia vibracional do ambiente em energia elétrica através de dispositivos piezelétricos tem recebido crescente atenção na última década. Com intuito de melhorar o desempenho destes tipos de dispositivo, são discutidos os benefícios da introdução de não linearidades nestes sistemas. O dispositivo utilizado é uma viga cantilever tipo bimorph, parcialmente recoberta por material piezelétrico, com massas magnéticas concentradas na extremidade livre da viga que geram forças magnéticas não lineares. Nesse dispositivo, além da não linearidade proveniente dos magnetos, considera-se também a não linearidade inerente ao material piezelétrico. A solução das equações eletromecânicas acopladas, que descreve o movimento do conversor piezelétrico de energia, é encontrada numericamente resolvendo-se um conjunto de equações diferenciais ordinárias com condições iniciais dadas. A resposta em frequência do sistema é aproximada pelo método perturbativo das múltiplas escalas. A potência elétrica gerada é analisada variando-se alguns parâmetros, como intensidade da força de excitação, distância entre os magnetos da extremidade livre da viga e resistor de carga. A estabilidade do sistema também é investigada através de uma análise dinâmica, de onde se conclui a influência da distância entre os magnetos juntamente com a intensidade da força de excitação nesta estabilidade. Estes parâmetros também influenciam na faixa de frequência de operação do dispositivo. É observado que os efeitos não lineares presentes no dispositivo fazem com que este opere em uma ampla faixa de frequência. É realizado o estudo de incertezas em alguns parâmetros do conversor de energia piezelétrico, através de simulações de Monte Carlo, concluindo a influência destes na frequência natural e na potência elétrica gerada pelo dispositivo. Através de ensaios experimentais confirmam-se os benefícios da introdução de não linearidades nos geradores de energia piezelétricos. / Piezoelectric energy harvesting has received great attention over the last years. The main goal of this work is to discuss the potential advantages of introducing nonlinearities in the dynamics of a beam type piezoelectric vibration energy harvester. The device is essentially a cantilever beam partially covered by piezoelectric material with a magnet tip mass. Also, we consider the nonlinear constitutive piezoelectric equations. The electromechanically coupled equations are solved numerically, through the initial value problems for ordinary differential equations. The frequency response of the system is approximated using the method of multiple scales. The electrical power output is calculated by varying the amplitude of the base acceleration, the distance between the magnets and the load resistor. The stability of the system is also investigated. Stochastic variations are introduced in some key parameters and the propagation of these uncertainties is investigated through Monte Carlos simulations. From the numerical results it is found that the influence of the parameters investigated in the frequency range of operation of the device and the nonlinear effects present on the device energy harvester extend the useful frequency range of these. Moreover uncertainty parameters affect the natural frequency and the power output harvester. Through experimental tests it has been confirmed the benefits of introducing nonlinearities in piezoelectric energy harvesters.

Esta pesquisa teve como objetivo avaliar, o comportamento das tensões na estrutura de suporte peri-implantar, decorrentes da pressão atuante sobre uma prótese fixa revestida em cerâmica, por meio do método fotoelástico. Foram confeccionadas três mandíbulas em resina fotoelástica, cada uma contendo 5 implantes hexágono externo de 3,75mm de diâmetro, com comprimentos variáveis denominadas MOD10 (implantes com 10mm); MOD13 (implantes com 13mm); MOD15 (implantes com 15mm), localizados na região interforaminal, paralelos entre si. Foi construída uma estrutura de prótese fixa em cobalto/cromo, com extensão distal bilateral (cantilever) de 15mm de comprimento, revestida por cerâmica, aparafusada sobre pilares micro unit com cinta de 1,0mm. Foi realizado um correto ajuste oclusal, em máxima intercuspidação, entre os dentes antagonistas. Os modelos foram submetidos à pressão de 1,0 e 3,0 bars, de forma a incidir axialmente sobre os implantes. O comportamento foi avaliado por visualização direta, em tempo real, e pelas imagens realizadas por meio dos registros fotográficos. Os resultados mostraram que, quanto maior o comprimento do implante, maior a propagação de tensão ao longo do corpo do implante e nos seus ápices; os implantes localizados mais distalmente, próximos ao cantilever, apresentaram maiores tensões em relação aos demais; o aumento do comprimento do implante aumentou a propagação de tensão ao longo da estrutura mandibular, como o corpo e ramo ascendente da mandíbula. Concluiu-se que: 1. Quanto maior o comprimento do implante suporte de prótese fixa, revestida em cerâmica, as tensões são mais distribuídas ao longo do seu corpo e ápice, propagando-se pelas estruturas mandibulares. 2. Os implantes próximos ao cantilever são os mais sobrecarregados, apresentando as maiores tensões. / The purpose of this research was to evaluate, using the photoelastic method, the behavior of tensions on peri-implant-supported structure deriving from pressure applied to a ceramic-coated fixed prosthesis . Three photoelastic-resin mandibles were built, each of them containing five 3.75-mm external hexagon implants with variable lengths and denominated MOD10 (implants with 10mm), MOD13 (implants with 13mm), MOD15 (implants with 15mm), located in parallel with each other in the interforaminal region. A fixed cobalt/chrome prosthesis structure was built with 15mm-bilateral-distal-length (cantilever), coated in ceramic, and screwed onto microunit pillars with a 1.0mm belt. A proper oclusal adjustment was performed at maximum intercuspation between antagonistic teeth. Models were submitted to pressures of 1.0 and 3.0 bars applied on implants at axial ends. Their behavior was evaluated by direct real-time visualization and by photographic images. Results showed that the greater the implant length, the greater the propagation of tension along implant length and on its apices; implants distally located, next to the cantilever, presented greater tensions in relation to others; as implant length increase, propagation of tension along the mandibular structure, such as the mandible body and ascending arm, also increase. Conclusion was 1. The longer the fixed-prosthesis-supported implant, coated in ceramic, the more tensions are distributed along its body and apex, propagating along mandibular structures. 2. Implants closer to the cantilever are those supporting the highest load and presenting the highest tensions.

A fotoelasticidade é um método analítico usado para avaliar e calcular as tensões existentes em qualquer ponto da superfície de um material. É uma ferramenta para análise de tensões bidimensionais, usa luz monocromática polarizada e modelos de resina. O objetivo do presente estudo foi comparar as tensões induzidas na interface osso-implante em diferentes planejamentos de próteses fixas totais implantossuportadas protocolo de Branemark. As variáveis nos modelos foram: número de implantes, tipo de liga, presença ou ausência de cantilever, inclinação dos implantes distais e secção transversal da infraestrutura. Foram confeccionados 32 modelos fotoelásticos e foram realizadas análises qualitativa e quantitativa das tensões induzidas. Os modelos sofreram carga estática no valor de 50 N na porção central e distal da barra. Os implantes central e distal foram analisados sob as cargas central e distal individualmente. Os pilares receberam torque de 20 N.cm e os parafusos protéticos de fixação da barra receberam 10 N.cm. Antes de qualquer avaliação, foi certificado que os modelos fotoelásticos encontravam-se livres de tensões residuais. A tensão (MPa) acumulada nos implantes distais sob carga distal foi aproximadamente 7 vezes maior que nas outras situações de carga. Além disso, 69% de toda tensão acumulada no sistema se manifestou no implante distal sob carga distal. Houve uma clara vantagem para as estruturas fundidas em cobalto-cromo em relação às fundidas em titânio concernente à distribuição de tensões. A análise da secção transversal demonstrou que na comparação entre viga convencional e viga I, houve distribuição aleatória de resultados. Também ficou evidente que o número maior de implantes favorece a uma melhor distribuição de tensões. Já quando foram comparadas barras de protocolo apresentando ou não cantilever, as infraestruturas sem cantilever apresentaram um resultado marcadamente superior àquelas com cantilever. Finalmente, as infraestruturas com implantes distais retos apresentaram uma melhor distribuição de tensões. Com base nos resultados obtidos, pode-se concluir que o método de fotoelasticidade é um método laboratorial apropriado para análise de tensões; próteses tipo protocolo de Branemark com 5 implantes provêm uma melhor condição de distribuição de tensões do que com 4 implantes; a secção transversal da supraestrutura metálica e o tipo de liga utilizado na fundição não apresentaram relação direta com o padrão de distribuição de tensões nos implantes; a distribuição de tensões nos implantes dentários em uma prótese tipo protocolo é mais eficiente com implantes distais retos e sem extensão em cantilever. / Photoelastic analysis is a method used to evaluate and calculate stresses at a material surface. It is a tool for bidimensional stresses analysis. Polarized monochromatic light and resin models for stresses evaluation were used. The purpose of this study was to compare the induced stresses in the bone-implant interface using different implant supporting complete fixed prostheses Branemark protocol. The variables studied in the models were: the number of implants, cast metal alloy, presence or absence of cantilever, angulation of distal implants and superstructure cross-sectional shape. It were prepared thirty-two photoelastic models and perceived quantitative and qualitative analysis of the induced stresses. 50 Newtons static load was exerted on the central and the distal part of the superstructure. Central and distal implants were analyzed under central and distal loads individually. The abutments were tightened with a 20 N.cm torque and the prosthetic screws with a 10 N.cm torque. Before the evaluations took place, it was checked if the implants presented residual stresses. Stresses accumulated in the distal implants under distal load were nine times greater than in the other loading situations and received approximately 69% of all stresses scattered in the whole system. There was a clear advantage for cobalto-chromium cast superstructures over titanium ones about stress transfer. The analysis of the cross-sectional superstructure shape evinced that when comparing conventional beam with i-beam there was an aleatoric results distribution. It was also evident that a superstructure with more implants collaborates to a better stresses distribution. Comparing Branemark protocol bars presenting or not cantilever extension, those with no cantilever presented remarked superior results than those with cantilever. Finally, superstructures with straight implants had a better stress transfer than those with angulated ones. Based upon the obtained results, it was concluded that the photoelastic method is a laboratorial evaluation method suitable for stress transfer analysis. Five implants complete fixed prostheses provide a better stress than those with four implants. Cross-sectional metal superstructure shape and the type of cast alloy demonstrate no direct correlation about the stress transfer pattern over the implants. The stress distribution over dental implants in a Branemark procotol prosthese is more efficient with straight distal implants and a bar with no cantilever extension.

A fotoelasticidade é um método analítico usado para avaliar e calcular as tensões existentes em qualquer ponto da superfície de um material. É uma ferramenta para análise de tensões bidimensionais, usa luz monocromática polarizada e modelos de resina. O objetivo do presente estudo foi comparar as tensões induzidas na interface osso-implante em diferentes planejamentos de próteses fixas totais implantossuportadas protocolo de Branemark. As variáveis nos modelos foram: número de implantes, tipo de liga, presença ou ausência de cantilever, inclinação dos implantes distais e secção transversal da infraestrutura. Foram confeccionados 32 modelos fotoelásticos e foram realizadas análises qualitativa e quantitativa das tensões induzidas. Os modelos sofreram carga estática no valor de 50 N na porção central e distal da barra. Os implantes central e distal foram analisados sob as cargas central e distal individualmente. Os pilares receberam torque de 20 N.cm e os parafusos protéticos de fixação da barra receberam 10 N.cm. Antes de qualquer avaliação, foi certificado que os modelos fotoelásticos encontravam-se livres de tensões residuais. A tensão (MPa) acumulada nos implantes distais sob carga distal foi aproximadamente 7 vezes maior que nas outras situações de carga. Além disso, 69% de toda tensão acumulada no sistema se manifestou no implante distal sob carga distal. Houve uma clara vantagem para as estruturas fundidas em cobalto-cromo em relação às fundidas em titânio concernente à distribuição de tensões. A análise da secção transversal demonstrou que na comparação entre viga convencional e viga I, houve distribuição aleatória de resultados. Também ficou evidente que o número maior de implantes favorece a uma melhor distribuição de tensões. Já quando foram comparadas barras de protocolo apresentando ou não cantilever, as infraestruturas sem cantilever apresentaram um resultado marcadamente superior àquelas com cantilever. Finalmente, as infraestruturas com implantes distais retos apresentaram uma melhor distribuição de tensões. Com base nos resultados obtidos, pode-se concluir que o método de fotoelasticidade é um método laboratorial apropriado para análise de tensões; próteses tipo protocolo de Branemark com 5 implantes provêm uma melhor condição de distribuição de tensões do que com 4 implantes; a secção transversal da supraestrutura metálica e o tipo de liga utilizado na fundição não apresentaram relação direta com o padrão de distribuição de tensões nos implantes; a distribuição de tensões nos implantes dentários em uma prótese tipo protocolo é mais eficiente com implantes distais retos e sem extensão em cantilever. / Photoelastic analysis is a method used to evaluate and calculate stresses at a material surface. It is a tool for bidimensional stresses analysis. Polarized monochromatic light and resin models for stresses evaluation were used. The purpose of this study was to compare the induced stresses in the bone-implant interface using different implant supporting complete fixed prostheses Branemark protocol. The variables studied in the models were: the number of implants, cast metal alloy, presence or absence of cantilever, angulation of distal implants and superstructure cross-sectional shape. It were prepared thirty-two photoelastic models and perceived quantitative and qualitative analysis of the induced stresses. 50 Newtons static load was exerted on the central and the distal part of the superstructure. Central and distal implants were analyzed under central and distal loads individually. The abutments were tightened with a 20 N.cm torque and the prosthetic screws with a 10 N.cm torque. Before the evaluations took place, it was checked if the implants presented residual stresses. Stresses accumulated in the distal implants under distal load were nine times greater than in the other loading situations and received approximately 69% of all stresses scattered in the whole system. There was a clear advantage for cobalto-chromium cast superstructures over titanium ones about stress transfer. The analysis of the cross-sectional superstructure shape evinced that when comparing conventional beam with i-beam there was an aleatoric results distribution. It was also evident that a superstructure with more implants collaborates to a better stresses distribution. Comparing Branemark protocol bars presenting or not cantilever extension, those with no cantilever presented remarked superior results than those with cantilever. Finally, superstructures with straight implants had a better stress transfer than those with angulated ones. Based upon the obtained results, it was concluded that the photoelastic method is a laboratorial evaluation method suitable for stress transfer analysis. Five implants complete fixed prostheses provide a better stress than those with four implants. Cross-sectional metal superstructure shape and the type of cast alloy demonstrate no direct correlation about the stress transfer pattern over the implants. The stress distribution over dental implants in a Branemark procotol prosthese is more efficient with straight distal implants and a bar with no cantilever extension.

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This paper reports the evaluation results of the mechanical structures of MEMS (micro electro mechanical systems) sensor implemented in the integrated MEMS inertial sensor for a wide sensing range from below 0.1 G to 20 G (1 G = 9.8 m/s^2). To investigate the mechanical tolerance, a maximum target acceleration of 20G was applied to the sub-1G sensor which had the heaviest proof mass of all that sensors had. The structure stability of Ti/Au multi-layered structures was also examined by using Ti/Au micro cantilevers. The results showed that the stoppers effectively functioned to prevent the proof mass and the springs from self-destruction, and that the stability of Ti/Au structures increased with an increase in width. Those results suggest that the proposed stopper and spring structures could be promising to realize MEMS sensors.