Three dimensional electrode integration on microwave resonator sensors for microparticle sensing in microfluidics
Mikroparçacık algılama için mikroakıskan-mikrodalga sensörler üzerine 3 boyutlu elektrot entegrasyonu
- Tez No: 876746
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET SELİM HANAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 80
Özet
Elektronik sensörlerde parçacık tarafından oluşturulan sinyalin parçacığın kanaldaki yüksekliğinden bağımsız olmasını sağlamak için mikroakışkan kanal duvarlarında 3 boyutlu elektrotlar kullanılabilir. 3-boyutlu elektrot oluşturmak için ilk metot olarak mikroakışkan kanalın duvarlarında bulunan PDMS kanallara oda sıcaklığında sıvı halde bulunan Galinstan materyali enjekte edilmiştir. Galinstan kanalları, bölünmüş halka rezonatörünün ince elektrotları üzerine konumlandırılmıştır. Galinstan kanalları ve rezonatörün ince elektrotları arasındaki elektriksel bağlantı sayesinde rezonatör üzerinde oluşan elektrik alan mikroakışkan kanal içesinde sabit elektrik alan oluşması için uzatılabilmiştir. Galinstan materyali, düşük erime sıcaklığı, insanlar için zararsız olması ve yüksek iletkenliği sebebiyle sensörde kullanılmıştır. Bu sensör kullanılarak 20 ve 30 mikrometre boyutlarındaki polistren parçacıklar boyutlarına göre ayrıştırılabilmiştir. 3 boyutlu elektrot yapısı kullanıldığı için parçacığın kanaldaki yüksekliğini bulmak için sinyal işleme yapılmamıştır. Sıvı metalin mikroakışkan kanala sızmasını engellemek için konulan PDMS duvarlar, sensörün sinyal-gürültü oranının düşmesine yol açmıştır. Daha sonra, 3 boyutlu elektrot üretmek için eposki bazlı negatif bir fotorezist olan SU8 materyali kullanılmış ve 3 boyutlu elektrotlar katı bir maddeden yapıldığı için mikroakışkan kanal içerisine konulabilmiştir. Bu şekilde sensörün sinyal-gürültü oranı arttırılabilmiştir. Mikrometre kalınlığındaki SU8 prizmalar sensörün algılama bölgesinde üretilmiş ve püskürtme tekniği ile prizmanın iç duvarları kaplanabilmiştir. SU8 elektrotlar, mikroakışkan kanal ve bağlantı elektrotlarını bulunduran silika substrat, PCB üzerinde bulundan mikrodalga rezonatöre bağlanmıştır. Rezonatör üzerinde oluşturulan elektrik alan, bağlantı elektrotları üzerinden tel bağlama tekniği ile SU8 prizmalara iletilmiş bu şekilde mikrokanal içerisine sabit elektrik alan oluşturulabilmiştir. Bu sensör yapısı, 12 ve 20 mikrometre polistrien parçacıkların boyuta göre ayrıştırılması için kullanılmıştır. Bu şekilde parçacığın kanal içerisindeki yüksekliğini bulmak için sinyal işleme yapılmasına gerek duyulmamıştır. 3 boyutlu elektrolar kanaldan geçen sıvı ile direkt temas ettiği için sinyal-gürültü oranı 10 katına kadar arttırılabilmiştir. Daha sonra, bölünmüş halka rezonatörü Coulter sayacı ile birleştirilmiş, bu şekilde hem boyut hem de dielektrik geçirgenlik ölçümü yapılmıştır. SU8 mikroelektrotlar yüksek ve alçak frekansta çalışan sensörlerin üzerine, algılama bölgesi oluşturulacak şekilde üretilmiştir. Rezonatör ve Coulter sayacı sinyalleri birlikte analiz edilerek parçacığın hem boyutu hem de dielektrik geçirgenliği ölçülmüştür. Bu yapı kullanılarak farklı boyut ve geçirgenlikteki polistren ve polietilen parçacıklar ayrıştırılmıştır. EDX ölçümü sonrasında polietilen parçacıkların içerisinde titanyum dioksit başta olmak üzere başka bileşlenlerin bulunduğu ve bu yüzden parçacığın dielektrik geçirgenliğinin değiştiği sonucu çıkarılmıştır. Deney sonuçları görüldüğünde, mikrodalga rezonatör kullanılarak parçacığın içindeki titanyum dioksitin etkisinin ölçüldüğü görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Position dependency of the particle-induced signal can be mitigated by using a 3-dimensional (3D) electrode configuration at the sidewalls of the microfluidic channel in electrical sensors. The first method to obtain 3D electrodes was filling Galinstan, Galium-Indium alloy with low melting point, to dead-end PDMS cavities at the sidewalls of a microfluidic channel positioned on a split ring resonator (SRR). Due to electrical contact between coplanar resonator electrodes and Galinstan cavities, the electric field between coplanar resonator electrodes was extended to form a uniform electric field along the height of the microfluidic channel. Galinstan was used in this application due to its low melting point, non-toxicity, and high conductivity. This architecture was used for size-based classification of 20-and 30\textmu m polystyrene (PS) microparticles without any post-processing for particle trajectory. However, the signal-to-noise ratio (SNR) was low due to the presence of PDMS spacers between the Galinstan cavities and the microfluidic channel, which were placed to avoid leakage of liquid metal into the microfluidic channel. In the later method, 3D electrodes made of solid material, epoxy-based, negative photoresist SU8, were fabricated and positioned inside a microfluidic channel to boost the signal-to-noise ratio. SU8 pillars with tens of micrometers height were patterned at the sensing region and metalized using sputter deposition to form a conformal profile on the electrodes. A fused silica substrate containing the SU8 microelectrodes, microfluidic channel, and coplanar connection electrodes was mounted on a microstrip transmission line resonator on PCB. The electric field on the resonator electrodes was extended to form a uniform electric field inside the microfluidic channel between the SU8 microelectrodes through wirebonding on connection electrodes. This sensor architecture was also used for size-based classification of 12-and 20\textmu m polystyrene microparticles without any trajectory correction. As a result of positioning 3D electrodes in direct contact with the microfluidic channel, the signal-to-noise ratio increased by 10 folds. Furthermore, a split ring resonator was integrated with a Coulter counter operating at low frequencies to measure the size and dielectric permittivity of a microparticle simultaneously. SU8 microelectrodes were fabricated at the tip of low and high-frequency sensing electrodes, positioned inside the microfluidic channel, forming the sensing region. The signals induced in the split ring resonator and Coulter counter can be simultaneously processed to get information about the size and type of the particle. Polystyrene and polyethylene microparticles with different dielectric permittivity and size were differentiated with this sensor. It was realized that polyethylene microparticles contained additives, which were not explicitly stated, however, the presence of titanium dioxide was detected using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). It was concluded that as a result of using a microwave resonator, it was possible to detect the presence of titanium dioxide inside the polyethylene microparticles and differentiate polystyrene and polyethylene particles.
Benzer Tezler
- Mikrodalganın hacim içerisinde dağılımının sıcaklık profiline etkisinin incelenmesi
Investigation of the microwave distribution in the volume on the temperature profile
DEMET BÜYÜKKOYUNCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
- Synthesis of yellow-emissive carbon dots and observation of their interaction with aflatoxin B1
Sarı ışıma yapan karbon noktalarının sentezi ve aflatoksin B1 ile etkileşimlerinin gözlemlenmesi
ÖZGE ERGÜDER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANER ÜNLÜ
- NiMn,NiMnP+ ve CrFe alaşım ince filmlerinde elektron spin rezonans (ESR) ve direnç ölçümleri
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA ÖZDEMİR
Doktora
Türkçe
1998
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIRHAN ÖNER
- Production of dye sensitized solar cell and optimization of production parameters
Boya uyarımlı güneş pillerinin üretimi ve üretim parametrelerinin optimizasyonu
RAMAZAN ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ KILIÇ