Design, fabrication and characterization of surface plasmon resonance based MEMS displacement sensors
Yüzey plazmon rezonansına dayalı MEMS yerdeğiştirme algılayıcılarının tasarım, üretim ve karakterizasyonu
- Tez No: 246731
- Danışmanlar: PROF. DR. SALİM ÇIRACI, YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Physics and Physics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2009
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüzey plazmon rezonansının kuplaj parametrelerine sıkı bağımlılığı nano vemikro-ölçekli mühendislik sahalarında yeni tür algılama mekanizmalarınaolanak sağlamaktadır. Bu çalısmada, kırınım ağı kuplajlı yüzey plazmonrezonans sartının açı bağımlılığından faydalanan MEMS yerdeğistirmealgılayıcılarının tasarım, üretim ve karakterizasyonu açıklandı.Yüzey plazmon polariton uyarımına dair çesitli mekanizmalar akademikliteratürde anlatılagelmektedir. Bu mekanizmalardan mikroelektromekaniksistemlere oldukça uyarlanabilir olanlarından biri kırınım ağıyla kuplajsemasıdır. Bu semada, ince metal kaplı kırınım ağı yapıları, istenen yüzeyplazmon polaritonu uyarım ısığı dalgaboyu ve gelis açısına bağlı olarak özeltasarlanır. Dalgaboyuna veya açıya bağlı yansıyan ısığın siddet spektrasındakeskin yüzey plasmon rezonansı eğrileri elde edebilmek için kırınım ağıparmaklarının periyodisite, yüzey profili, derinlik ve yüzde genisliği gibigeometrik parametreler ile üst metal tabakanın dispersiyon ve kalınlığı gibimalzeme özellikleri dikkatlice seçilmelidir. ?lk olarak, yüzey plazmon rezonansıkırınım ağlarının sözkonusu geometrik ve malzeme parametreleri RCWAmetoduyla sayısal olarak optimize edildi. Onlar mertebesinde açısal kalitefaktörlerinin erisilebilir olduğu gösterildi. ?yi tanımlanmıs kırınım ağı yapılarınınnanofabrikasyonu için çesitli litografik yöntemler (nanobaskı, elektron ısını veoptik litografi) kullanıldı. Spektroskopik elipsometri ile alınan p-polarizeyansıyan ısık siddeti ölçümlerinin sayısal hesaplarla oldukça uyumlu sonuçlarverdiği görüldü. Yüzey plazmon polaritonu uyarımının polarizasyona bağlılığınıgöstermek için spektroskopik tarama verilerine de ayrıca yer verildi.Bütün bu yüksek açısal kalite faktörlü kırınım ağı yapıları elde edebilmegayreti açısal yerdeğistirme tespit semasının hassasiyetini artırmaya yöneliktir.Bu semada, kırınım ağı yapısının polarizasyon düzlemindeki açısal konumu,yansıyan ısığın fotodetektördeki sinyali üzerinden tespit edildi. Uyarım ısığınındalga cephesi parametrelerine ve fotodetektör gürültüsüne bağlı hassasiyetanalizi yapıldı.Sözkonusu açısal yerdeğistirme tespit prensibine dayanan MEMSyerdeğistirme algılayıcı tasarımları gelistirildi. Basitçe, yüzey plazmon rezonanskırınım ağı yapıları bilindik mikrozarların üzerine aktarıldı. ?ki çesit özelmikrozar tasarlandı: kırınım ağlı mikrodirsekler (tek taraftan bağlı) ve kırınımağlı mikroköprüler (iki taraftan bağlı). Bu aygıtlar kırınım ağı nanofabrikasyonuprosedürlerine ilaveten iyi bilinen yüzey mikroisleme asamalarıyla üretildi.Mekanik rezonans frekansları, bükülgen mod sekilleri ve efektif yay sabitlerianalitik, sayısal ve deneysel olarak çıkarıldı. Ek olarak, nano-G gürültüseviyesinde plazmonik okumalı bir MEMS ivmeölçer tasarımı sunuldu.Mikromekanik yerdeğistirme algılaması için kurulan bir deneysel konfigürasyonanlatıldı. Bu çalısmanın sonuçlarına göre, plazmon rezonansının ve mikrozar tipialgılayıcıların hassasiyetini birlestiren yeni algılayıcı dizileri benzeri görülmemisperformans sağlayabilirler.
Özet (Çeviri)
Strong dependence of surface plasmon resonance (SPR) on coupling parametersoffers new varieties of sensing mechanisms in nano and micro-scale engineeringfields. In this study, design, fabrication and characterization of MEMSdisplacement sensors that utilize angular dependence of grating coupled SPRcondition are explored.Several surface plasmon polariton (SPP) excitation mechanisms are reportedin the academic literature. One of them which is quite adaptable tomicroelectromechanical systems is grating coupling scheme. In this scheme, thinmetallized grating structures are particularly designed depending on the desiredwavelength and the angle of incidence of the SPP excitation light. Geometricparameters like periodicity, surface profile, depth and duty cycle of the groovesand material parameters like dispersion and thickness of the top metal layer haveto be chosen with care in order to reach sharp SPR curves in the reflectedintensity spectra with respect to either wavelength or angle of incidence. As thefirst step, geometric and material parameters of SPR gratings are numericallyoptimized using rigorous coupled-wave analysis (RCWA). Angular qualityfactors on the order of tens are shown to be achievable. Various lithographictechniques (nanoimprint, electron beam and optical lithography) are used tonanofabricate those certainly defined gratings. It is observed that p-polarizedreflected intensity measurements using spectroscopic ellipsometry are in quitegood agreement with those numerically calculated. Spectroscopic scanmeasurements are also provided to show the polarization dependence of SPPexcitation.All effort to obtain high angular Q-factor grating structures is aimed atenhancing the sensitivity of angular displacement detection scheme. In thisscheme, angular position of the grating structure in the polarization plane isdetected through the reflected intensity response of the photodetector.Dependence of sensitivity on excitation light source wavefront parameters andphotodetector noise are analyzed.MEMS displacement sensor designs relying on the principle of angulardisplacement detection scheme are developed. Simply, SPR grating structuresare transferred on conventional micromembranes. Two types of such particulardesigned micromembranes are introduced: corrugated microcantilevers (singlyclamped) and corrugated microbridges (doubly clamped). They are fabricatedthrough well-known surface micromachining processes in addition to SPRgrating nanofabrication procedures. Mechanical resonance frequencies, flexuralmode shapes and effective spring constants are analytically, numerically andexperimentally obtained. In addition, a MEMS accelerometer design withplasmonic readout with nano-G noise floor is presented. An experimentalconfiguration for micromechanical displacement sensing is investigated.According to the results of this work, novel arrayed sensors combining thesensitivities of plasmon resonance and micromembrane type sensors mayprovide unprecedented performance.
Benzer Tezler
- Molecular recognition based self assembly of engineered proteins on nanoscaled gold surfaces
Nano-ölcek metal yüzeylerde moleküler tanıma esaslı kendiliğinden montaj olabilen protein tasarımı
BANU TAKTAK KARACA
Doktora
İngilizce
2015
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. CANDAN TAMERLER
YRD. DOÇ. DR. BÜLENT BALTA
- Development of D-type fiber optic sensors for detection of refractive index variation in evanescent wave field
Evanescent dalga alanı içerisinde kırılma indisi değişiminin ölçümü için D-tipi fiber optik algılayıcıların geliştirilmesi
BURCU GÜLERYÜZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mühendislik BilimleriOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CANER DURUCAN
DR. MUSTAFA ASLAN
- Alaşım nanokubbelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of alloy nanodomes
GAMZE YAMAN
- Plazmonik sensör uygulamaları için gözenekli anodik alümina kalıplar ve matrislerle nanoyapıların üretilmesi
Fabrication of nanostructures with porous anodic alumina templates and matrices for plasmonic sensor applications
HANDE ÇAVUŞ ARSLAN
Doktora
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM YUSUFOĞLU
DR. MUSTAFA ASLAN
- Yüzeyde güçlendirilmiş spektroskopi uygulamaları için plazmonik nanoanten tabanlı fotonik metamalzemelerin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterization of plasmonic nanoantenna based photonic metamaterials for surface enhanced spectroscopy applications
ERDEM ASLAN
Doktora
Türkçe
2017
Mühendislik BilimleriErciyes ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER GALİP SARAÇOĞLU