Design, fabrication and characterization of micromachined THz absorbers
Mikro ̇ıslenmis THz emicilerin tasarımı, Üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 670429
- Danışmanlar: PROF. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 180
Özet
Bu araştırmanın amacı, gelişmiş işlevsellik ve performans sağlayabilen uygulamaları görüntüleme ve algılama için yeni bir THz soğurucu sınıfı geliştirmektir. Bu soğurucular, bir arka düzlem metal katmandan, iletilen radyasyona opak, aralayıcı olarak bir dielektrik substrattan ve rezonans parçası olarak metalik desenli bir katmandan oluşan katmanlı hücrelerin periyodik dizilerinden oluşur. Elektromanyetik dalga çarptığında, yapı, soğurucunun fiziksel özellikleri tarafından belirlenen belirli bir frekans bandı dışında, gelen dalgayı yansıtır. İletilen gücü ortadan kaldıran bir engelleme tabakasının varlığında, bu özel frekans bandında emilim meydana gelir. Emici birim hücrenin etkin elektriksel geçirgenliği ve manyetik geçirgenliği aynı değere ulaşır ve mükemmel soğurmaya sahip olmak için aynı anda negatif olur. $ \epsilon_r $ ve $ \mu_r $ negatif değerleri doğada görülmez. Bu noktada“metamalzemeler”tanıtılmaktadır. Metamalzemeler, THz emicilerde kullanılan yapay olarak tasarlanmış yapılardır. MM'lerin konsepti, doğal malzemelerin moleküllerini ve atomlarını, boyutları verilen dalga boyundan çok daha küçük olan mühendislik malzemeleriyle değiştirmekten türetilmiştir. MM'nin ilgi çekici özellikleri, yapısının (geometri, şekil, yönelim ve boyut) becerisinin derecesinden elde edilirken, kimyasal yapısı önemsiz bir rol oynar. Şu anda, THz emiciler tıbbi ve güvenlik uygulamaları olarak kullanılmaktadır. Şekillerine, boyutlarına ve konfigürasyonlarına bağlı olarak birçok MM tabanlı emici türü tanıtılmıştır. Bu araştırma, emicinin performansının EM dalgasının gelişi ve polarizasyon açısına düşük oranda bağımlı olduğu emiciler üzerinde odaklanmıştır. Ayrıca, bu yapıların, dalgaboyuna kıyasla dizinin küçük boyutları ile tasarlanmış çok çeşitli frekans spektrumlarında çalışmasını talep ediyoruz; diğer bir deyişle, geniş bantlı THz soğurucuların tasarımına odaklanıyoruz. Bölüm 1'de, THz radyasyonuna ve faydalarına ve uygulamalarına kısa bir girişle başlıyoruz. Aynı zamanda MM'lerin tarihi ve teorisine genel bir bakış içerir. MM'lerin performansını ve çalışma frekans bantlarını ve uygulamalarını gösteren çeşitli tasarımlar incelenmiştir. Sağ ve solak medyada dalga yayılımının kapsamlı bir çalışması Bölüm 2'de sunulmuştur. Önerilen MM soğurucularının temel modelleri ve geniş bantlı emici tasarım Bölüm 3'te anlatılmıştır. Rezonans ilkesi, bu bölümde sağlanan lumped LC devresine dayanmaktadır. Daha sonra, MEMS tabanlı THz metamalzeme tabanlı soğurucunun tasarımı, Üretimi ve karakterizasyonu Bölüm 4'te açıklanmaktadır. Geniş bantlı ve çarpan dalga açısından bağımsız emici olarak petek yapılarından esinlenen yeni bir 3D tasarım önerildi. Bölüm 5, bu 3 boyutlu MM tabanlı geniş bant emicinin tasarımını, simülasyonunu, üretim sürecini ve ölçüm sonuçlarını içerir. Önerilen soğurucu, mükemmel soğurma özellikleri sergilemektedir. Önerilen yaklaşımın benzersiz özelliği, geliş açısına göre çok düşük hassasiyete sahip olmasıdır. Geleneksel yaklaşımlarla karşılaştırıldığında küçük özellik boyutlarının aksine, soğurma özelliklerini THz frekanslarında muhafaza etme yeteneği, bu gözenekli yapıları algılama uygulamaları için çekici hale getirdi. Bu tez boyunca, yeni tasarımların spektral davranışının hem fiziksel hem de sayısal yorumları sağlanır. İşletim mekanizmasına ilişkin fiziksel içgörü, daha fazla iyileştirmenin anahtarıdır ve istenen frekans yanıtlarıyla daha karmaşık yüzeyler oluşturur.
Özet (Çeviri)
The purpose of this research is to develop a new class of THz absorbers for imaging and sensing applications that can provide improved functionality and performance. These absorbers consist of periodic arrays of layered cells made of a back-plane metal layer, opaque to transmitted radiation, a dielectric substrate as a spacer, and a metallic patterned layer as resonating part. Once electromagnetic wave impinges, the structure reflects the incident wave, except in a specific frequency band determined by the absorber's physical properties. In the presence of a blocking layer which eliminates transmitted power, absorption in that specific frequency band occurs. The effective permittivity and permeability of absorber unit cell reach the same value and be negative simultaneously to have perfect absorption. Negative values of $\epsilon$ and $\mu$ do not happen in nature. At this point,“metamaterials”are introduced. Metamaterials (MMs) are artificially engineered structures used in THz absorbers. MMs' concept is derived from replacing the natural materials with engineered materials where their sizes are much smaller than the given wavelength. Intriguing properties of MM are achieved from the degree of the skillfulness of its structure (geometry, shape, orientation, and size), while its chemical construction plays an insignificant role. Currently, THz absorbers are in use as medical and security applications. Many types of MM based absorbers have been introduced based on their shapes, sizes, and configurations. This research has focused on absorbers with a low dependency of absorber's performance on the exciting wave's incidence and polarization angle. Besides, we demand these structures to operate in a wide range of frequency spectra designed to, with small dimensions of the patterned array compared to the wavelength; in other words, we concentrate on the design of wideband THz absorbers. In Chapter 1, we start with a brief introduction to THz radiation and its benefits and applications. It also comprises an overview of the history and theory of MMs. Various designs demonstrating the performance and operating frequency bands of MMs and their applications have been studied. A comprehensive study of wave propagation in the right and left-handed media is presented in Chapter 2. Basic models of proposed MM absorbers are introduced in Chapter 3. The principle of resonance is based on a lumped LC circuit and broadband operation provided in this chapter. Afterward, the design, Fabrication, and characterization of a MEMS-based THz metamaterial-based absorber are described in Chapter 4. A new 3D design inspired by honeycomb structures as broadband and incident wave independent absorber has been proposed. Chapter 5 includes the design, simulation, fabrication process, and measurement results of this 3-dimensional MM based broadband absorber. The proposed absorber exhibits excellent absorption characteristics. The unique feature of the proposed approach is having very low sensitivity with respect to the incidence angle. The ability to maintain their absorption properties in THz frequencies, unlike their small feature sizes compared with traditional approaches, made these porous structures attractive for sensing applications. Throughout this dissertation, both physical and numerical interpretations of the spectral behavior of new designs are provided. Physical insight into the operating mechanism is the key to further improvements and creates more complex surfaces with desired frequency responses.
Benzer Tezler
- Development of high fill factor and high performance uncooled infrared detector pixels
Yüksek etkin alanlı ve yüksek performanslı soğutmasız kızılötesi detektörlerinin geliştirilmesi
ŞENİZ ESRA KÜÇÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Designing, fabrication and post-fabrication characterization of half-frequency driven 16 x 16 waterborne transmit cmut array
Yarı frekansta sürülen sualtı 16 x 16 elemanlı cmut dızının dızaynı, fabrıkasyonu ve fabrıkasyon sonrası karakterızasyonu
YUSUPH ABUBAKAR ABHOO
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. HAYRETTİN KÖYMEN
- An uncooled infrared microbolometer detector array using surface micromachined mems technology
Yüzey mikroişleme mems teknolojisi ile soğutmasız kızılötesi mikrobolometre detektör dizini
MAHMUD YUSUF TANRIKULU
Doktora
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Silicion micromachined capacitive pressure sensors for industrial and biomedical applications
Silisyum mikroişleme yöntemi ile üretilen endüstriyel ve biomedikal uygulamalar için kapasite basınç sensörleri
ORHAN ŞEVKET AKAR
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- MEMS scanners for spectroscopy and laser scanning systems
Spektroskopi ve lazer tarama sistemleri için MEMS tarayıcı geliştirilmesi
ÇAĞLAR ATAMAN
Doktora
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY