Desıgn, fabrıcatıon and optımızatıon of novel carbon-based ato flexıble wearable sensors for healthcare and heart actıvıty monıtorıng
Sağlık ve kalp aktivitesi takibi için yeni nesil karbon bazlı esnek giyilebilir ato sensörlerin tasarımı, üretimi ve optimizasyonu
- Tez No: 1016225
- Danışmanlar: PROF. DR. HASAN KÖTEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Adaptif gürültü azaltma sistemi, Adesif film, Agar-agar, Adaptive noise cancellation system, Adhesive film
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Medipol Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliğ ve Biyoenformatik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Giyilebilir kardiyak izleme cihazları, iletken jeller olmadan kararlı, düşük empedanslı ve düşük gürültülü biyopotansiyel sinyaller sağlayabilen kuru elektrotlar gerektirir. Geleneksel kuru elektrotlar, yüksek cilt-elektrot empedansından ve hareket kaynaklı sinyal bozulmasından muzdariptir. Bu tez, antimon katkılı kalay oksit-karbon nanotüp-indirgenmiş grafen oksit (ATO-CNT-rGO) üçlü nanokompozitine dayalı esnek kuru elektrotlar için sistematik bir malzeme-yapı ortak tasarım stratejisi sunmaktadır. Malzeme düzeyinde, üçlü kompozit, bileşenlerinin tamamlayıcı elektriksel ve yapısal özelliklerinden yararlanacak şekilde tasarlanmıştır. Elektriksel ve morfolojik karakterizasyonlar, ATO-CNT-rGO sisteminin, güçlü arayüzey bağlaması ve homojen dağılımla sürekli bir geçirgenlik ağı oluşturarak tekli ve ikili kompozitlerden daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymuştur. Raman ve X-ışını kırınımı analizleri, yüksek kristalliği ve faz saflığını doğrulayarak, gelişmiş yük taşınımına ve azaltılmış sinyal gürültüsüne yol açmıştır. Önerilen bu kompozit, tutarlı ve güvenilir jel içermeyen elektrokardiogram (EKG) sinyal alımına olanak sağladı. Optimize edilmiş kompozit, malzeme bileşiminin elektrot geometrisinin değişimiyle birlikte birleşik etkilerini incelemek için esnek bir polidimetilsiloksan (PDMS) mikrokanal elektrot alt tabakasına entegre edildi. Üçlü kompozit, saf ATO'ya göre yaklaşık dört kat daha yüksek iletkenlik gösterdi. FEM simülasyonları, şevron tipi mikrokanalların düz mikrokanala göre 3,35 kat daha yüksek akım yoğunluğu ürettiğini ve dolayısıyla 60$^o$'lik bükülmelerde elektrik alan yoğunlaşmasıyla yönlendirildiğini gösterdi. Malzeme bileşimi ve kanal geometrisi birlikte optimize edildiğinde, birleşik etki 6,5 katlık genel bir iyileşme sağladı. Bu bulgular, şevron ve düz mikrokanalların her ikisinin de test edildiği ve şevronun muadiline kıyasla yaklaşık üç kat daha yüksek sinyal genliği ve SNR ürettiği jelatin-tuzlu su bazlı doku taklit eden bir fantom kullanılarak deneysel olarak doğrulandı. Bu çalışma, üçlü kompozitlerin ikili sistemlerden daha iyi performans göstermesini sağlayan üç temel tasarım prensibini ortaya koymuştur: elektrot geometrisi, malzeme seçimi kadar kritik öneme sahiptir ve geometri yüzeyinin malzeme ile etkileşimi daha iyi performans için çok önemlidir. Geliştirilen üçlü ATO-CNT-rGO mikrokanal elektrotlar, kararlı, düşük gürültülü, jel içermeyen EKG algılama özelliği sunar ve bu nedenle giyilebilir biyoelektronik uygulamalar için geleneksel Ag/AgCl elektrotlarına alternatif, esnek ve düşük maliyetli bir cihaz formunda temsil edilebilir.
Özet (Çeviri)
Wearable cardiac monitoring requires dry electrodes capable of providing stable, low-impedance, and low-noise biopotential signals without conductive gels. Conventional dry electrodes suffer from high skin–electrode impedance and motion-induced signal degradation. This thesis presents a systematic material–structure co-design strategy for flexible dry electrodes based on an antimony-doped tin oxide–carbon nanotube–reduced graphene oxide (ATO–CNT–rGO) ternary nanocomposite. At the material level, the ternary composite was engineered to exploit complementary electrical and structural properties of its constituents. Electrical and morphological characterizations demonstrated that the ATO–CNT–rGO system outperformed single and binary composites by forming a continuous percolation network with strong interfacial bonding and uniform dispersion. Raman and X-ray diffraction analyses confirmed high crystallinity and phase purity, leading to enhanced charge transport and reduced signal noise. This suggested composite allowed consistent and reliable gel-free electrocardiogram (ECG) signal acquisition. The optimized composite was integrated into the device at a flexible polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel electrodes substrate to study the combine effects of material composition with changing of electrode geometry. The ternary composite showed an approximate four-time higher conductivity than pristine ATO. FEM simulations demonstrated that the chevron type microchannels generate 3.35 times higher current density than straight microchannel, and hence driven by electric field concentration at the 60$^o$ bends. When material composition and channel geometry were jointly optimized, the combined affect yielded and overall enhancement of 6.5x shown. These findings were experimentally confirmed using a gelatine-saline based tissue mimicking phantom, in which chevron and straight microchannels both were tested and chevron produce nearly three times higher signal amplitude and SNR to compared with counterpart. This work established three key design principles in which ternary composite outperforms binary systems, electrode geometry as critical as material selection and geometry surface interaction with material is crucial for a better performance. The developed ternary ATO-CNT-rGO microchannel electrodes delivers stable, low noise, gel free ECG sensing and hence can be representable in a device form which can be flexible, low cost and alternative to conventional Ag/AgCl electrodes for wearable bioelectronics application.
Benzer Tezler
- Yeni nesil mekanik aort kapakçığı geliştirilmesi:polimer kaplamaların mekanik dayanımve yüzey özelliklerine etkisi
Development of a next-generation mechanical aortic heart valve: Effects of polymer coatings on mechanical strength and surface properties
RABİA GÜZİDE AL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
BiyomühendislikSakarya ÜniversitesiBiyomedikal Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERBÜLENT TÜRK
DOÇ. DR. HAMİD ASADİ
- Kinolin ve siyanovinilbenzoik asit içeren bileşiklerin duyarlaştırıcı boya olarak güneş hücrelerinde kullanımı
Investigation of compounds containing cyanovinylbenzoic acid and quinoline as sensitizers in solar cells
SERAP USLU
- A systematic research on rational design and synthesis of innovative materials for developing high-performance perovskite solar cells
Yüksek performans perovskit güneş hücresi geliştirilmesi için yenilikçi malzemelerin mantıksal tasarımı ve sentezi üzerine sistematik bir araştırma
ALİEKBER KARABAĞ
Doktora
İngilizce
2023
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFen Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRULLAH GÖRKEM GÜNBAŞ
DOÇ. DR. SAFACAN KÖLEMEN
- Reliability measurements and analysis of gallium nitride on silicon carbide high electron mobility transistors (gan-on-sic hemts)
Silisyum karbür üzerinde galyum nitrat yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörlerin (gan-on-sic hemt) güvenilirlik ölçümleri ve analizi
MAHMUT CAN SOYDAN
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Development of novel aflatoxin B1 biosensors by carbon nanotube integrated microfluidic systems
Karbon nanotüp entegre edilmiş mikroakışkan sistemlerin kullanımıyla yeni aflatoksin B1 biyosensörlerinin geliştirilmesi
NAGİHAN OKUTAN ARSLAN
Doktora
İngilizce
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON