Surface acoustic wave resonator characterization for gas and liquid detection
Gaz ve sıvı algılama için yüzey akustik dalga rezonatör karakterizasyonu
- Tez No: 887657
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TUFAN COŞKUN KARALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Yüzey Akustik Dalga (SAW) rezonatörleri, yüksek Q-faktörü, düşük güç tüketimi ve kompakt boyut gibi avantajlı özellikleri nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmüştür. Bu özellikler, SAW rezonatörlerini çeşitli sensör uygulamaları için ideal adaylar yapmaktadır. SAW rezonatörleri, gecikme hattı boyunca alt tabakaya yapılan manipülasyonların cihazın özelliklerini değiştirebilmesi nedeniyle malzeme tespit cihazları olarak kullanılabilir. Bu çalışmanın amacı, sensör uygulamaları için SAW rezonatör tabanlı bir ağın gazlar ve sıvılara maruz kaldığında özelliklerini belirlemektir. SAW sensörler, düşük gaz konsantrasyonlarını algılayabilme kabiliyetleri ve hızlı yanıt süreleri nedeniyle tercih edilmektedir. Ayrıca, küçük boyutlu ve uzun ömürlü olmaları da bu sensörlerin kullanımını cazip kılmaktadır. SAW rezonatörlerinin üretimleri TÜBİTAK MAM'da bulunan temiz odalarda gerçekleştirilmiştir. Üretim sürecinde termal ve e-beam ince tabaka kromatografisi, maskesiz litografi gibi ileri teknoloji yöntemler kullanılmıştır. Sensörlerin tasarımları ise Yeditepe Üniversitesi tarafından yapılmıştır ve çeşitli tasarımlar test edilerek optimizasyon sağlanmıştır. Rezonatör ölçümleri için birkaç farklı PCB (baskılı devre kartı) versiyonu üretilmiştir. Bu PCB'ler, rezonatörün şekline göre özelleştirilmiştir. Bazı PCB'ler, anahtarlardan yararlanarak aynı rezonatörden birden fazla sinyal hattını dahil etmek üzere daha da özelleştirilmiştir. Rezonatörler, ölçümler sırasında hasar görme olasılığını azaltmak için PCB'lere tel bağlama yöntemi ile bağlanmıştır. Tel bağlama süreci, zaten hasar görmüş waferlar veya test waferları ile yapılan deneylerle optimize edilmiştir. Vektör Ağ Analizörü (VNA) kullanılarak, çeşitli rezonatörler için farklı koşullar altında S parametre bilgileri elde edilmiştir. İlk olarak, istenen frekans aralığı için VNA'lar kalibre edilmiştir ve parazitik kablo etkileri giderilmiştir. Rezonatörler için ölçümler, sadece bağlama telleri ve PCB ile referans olarak alınmıştır. Aynı ölçümler, rezonatör üzerindeki ışık ve gürültü etkilerini görmek için Faraday kafesinde ışıklar kapalı olarak tekrarlanmıştır. Rezonatörler daha sonra iki farklı algılama malzemesi olan Ftalosiyanin ve Polivinilpirolidon (PVP) ile kaplanmıştır. Kaplama sonrasında, aynı ölçümler hem bant geçiren hem de bant durduran filtreleme davranışına sahip rezonatörler üzerinde tekrarlanarak veri elde edilmiştir. VNA ile elde edilen veriler S2P formatındadır. Bu formatın incelenmesi MATLAB aracılığıyla gerçekleştirilir. MATLAB içerisinde hazır olarak bulunan fonksiyonlar bu dosya türünü otomatik olarak grafik formatına çevirir ve grafikler üzerinden incelemeler yapılır. Ölçüm için kullanılan Ağ Analizörü S2P formatında çıktı vermiyorsa CSV olarak elde edilen verinin işlenip MATLAB'a uygun hale getirilmesi gerekmektedir. Elde edilen veriler, ardından bir model filtre oluşturmak için kullanılmış ve frekans seçiciliğini görmek için Colpitts Osilatör konfigürasyonuyla simüle edilmiştir. Ayrık elemanlarla oluşturulan SAW rezonatör bazlı Colpitts Osilatör test edilmiştir. Sonuçlar, Faraday kafesi ve referans ölçümlerinin neredeyse aynı olması nedeniyle, gürültü ve ışık etkilerinin rezonatörler üzerinde minimal olduğunu göstermiştir. Rezonatörlerin algılama malzemesi ile kaplanmasının, rezonatörün davranışını kilohertz aralıklarında değiştirdiği gözlemlenmiştir. Kaplama yapılan bölgenin üzerinden sıvı geçirildiğinde gerçekleşen değişimler anlık ölçüm alınıp karşılaştırılmıştır. Sıvı geçişinin frekans cevabını değiştirdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, PVP'nin nem ile etkileşime girmesi nedeniyle, kaplamanın etkinliği, rezonatöre üflenerek ve frekans kaymaları gözlemlenerek test edilmiştir. Gelecek çalışmalarda tel bağlama yöntemi devre dışı bırakılarak daha etkili bir bağlantı yöntemi tercih edilebilir. Bu şekilde numuneye olan bağlantılar çok daha kuvvetli hale getirilebilir ve zarar verme riski azalır. Sıvı ve gaz geçişi ölçümlerini daha otomatik bir şekilde alabilmek için üç boyutlu yazıcı ile üretilen aparatlar kullanılabilir. SAW rezonatörlerinin sensör olarak kullanımı, yüksek hassasiyetleri ve hızlı tepki süreleri nedeniyle büyük potansiyele sahiptir. Bu çalışmanın bulguları, gelecekte daha gelişmiş ve hassas sensörlerin geliştirilmesi için önemli bir temel oluşturabilir. Bu teknoloji, özellikle çevresel izleme, biyomedikal uygulamalar ve endüstriyel proses kontrolü gibi alanlarda geniş bir kullanım yelpazesine sahiptir. SAW rezonatörlerinin gaz ve sıvı tespiti için optimize edilmesi, sensörlerin daha geniş bir uygulama alanında kullanılmasına olanak tanıyacaktır. Ayrıca, farklı algılama malzemelerinin kullanılması ve kaplama tekniklerinin geliştirilmesi, sensörlerin performansını artırabilir. Bu alandaki ilerlemeler, hem akademik araştırmalar hem de endüstriyel uygulamalar için önemli katkılar sağlayacaktır. Sonuç olarak, bu çalışmada elde edilen veriler ve yapılan analizler, SAW rezonatörlerinin sensör uygulamaları için büyük bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Gelecek çalışmalar, bu teknolojinin daha da geliştirilmesi ve çeşitli uygulama alanlarında daha yaygın bir şekilde kullanılması için önemli bir temel oluşturacaktır. Ayrıca, SAW rezonatörlerinin performansını ve duyarlılığını artırmak için yeni malzemeler ve kaplama yöntemleri üzerine araştırmalar yapılabilir. Özellikle nanoteknoloji ve ileri malzeme bilimi alanındaki gelişmeler, SAW sensörlerinin daha küçük, daha hassas ve daha dayanıklı hale gelmesine katkıda bulunabilir. Sensörlerin çalışma koşullarına uygun şekilde özelleştirilmesi, örneğin yüksek sıcaklık veya korozif ortamlarda performans göstermesi için özel kaplamalar ve malzemeler geliştirilmesi, uygulama alanlarını daha da genişletecektir. Ayrıca, sensör ağlarının kablosuz iletişim teknolojileri ile entegre edilmesi, gerçek zamanlı veri toplama ve izleme imkanı sunarak, endüstriyel ve çevresel uygulamalarda kullanım potansiyelini artıracaktır. Bu tür yenilikler, SAW rezonatörlerinin gelecekte daha da yaygınlaşmasını sağlayacak ve sensör teknolojilerinde önemli bir yer edinmelerine katkıda bulunacaktır. Son olarak, SAW rezonatörlerinin biyosensör olarak kullanımı da büyük bir potansiyel taşımaktadır. Biyomoleküllerin ve patojenlerin tespiti için geliştirilecek SAW sensörleri, tıbbi teşhislerde ve sağlık izleme sistemlerinde devrim yaratabilir. Özellikle, yüksek hassasiyet ve hızlı tepki süreleri sayesinde erken teşhis ve hızlı müdahale imkanı sunarak, hastalıkların ilerlemesini önleyebilir. Ayrıca, kişiselleştirilmiş tıp alanında, bireysel hasta verilerinin sürekli izlenmesi ve analizi ile tedavi süreçlerinin optimize edilmesine yardımcı olabilir. Bu tür uygulamalar, SAW rezonatörlerinin biyomedikal alanda geniş çapta kullanılmasına olanak tanıyacak ve bu teknolojiye olan ilgiyi daha da artıracaktır. Gelişmiş biyosensörlerin geliştirilmesi, hem akademik araştırmalar hem de ticari uygulamalar için yeni fırsatlar yaratacak ve SAW rezonatörlerinin çok yönlü kullanım alanlarını genişletecektir
Özet (Çeviri)
Surface Acoustic Wave (SAW) resonators have garnered significant interest in recent years due to their advantageous properties, including high Q-factor, low power consumption, and compact size, making them ideal candidates for various sensor applications. SAW resonators can be used as material detection devices since manipulations to the substrate along the delay line can alter the characteristics of the device. The objective of the study is to determine the characteristics of a SAW resonator based network when it is exposed to gasses and liquids for sensor applications. Several versions of PCBs are manufactured for the resonator measurements. These PCBs are customized according to the shape of the resonator. Some of the PCBs are then further customized to incorporate multiple signal lines from the same resonator with the help of switches. Resonators are wire bonded in order to connect them to PCBs thus reducing the chances of damaging during measurements. Wire bonding process was optimized through experimentation with already damaged wafers or test wafers. Through the use of a Vector Network Analyzer (VNA), S parameter information were obtained under different conditions for various resonators. Firsly VNAs were calibrated for desired frequency range and parasitic cable effects were removed. Measurements for resonators were taken as a baseline with just the bondwires and the PCB. Same measurements were repeated in a Faraday cage with lights turned off to see the effects of light and noise on the resonator. Resonators were then coated with 2 different sensing materials Phthalocyanine and Polyvinylpyrrolidone (PVP). After coating the resonators same measurements were repeated on both bandpass and bandstop filtering behavior resonators to acquire data. Acquired data were then used to create a model filter then simulated with Colpitts Oscillator configuration to see frequency selectivity. The results showed that noise and light effects were minimal on the resonators since data from Faraday cage and baseline measurements were almost identical. It was observed that even coating resonators with a sensing material changed the behavior of the resonator within the ranges of the kilohertz. Additionally, since PVP also interacts with moisture, the effectiveness of the coating was observed by blowing on to the resonator and observing frequency shifts.
Benzer Tezler
- Frequency-selective remote actuation via continuous beam spans
Sürekli kiriş dizileri yardımıyla frekans-seçici uzaktan tahrik
JABER SALAMAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Motion and energy transfer through coupled micro/nano-scale cantilever beams via mechanical resonance absorption
Mikro/nano-boyutlu ankastre kirişlerde mekanik rezonans absorpsiyonu yardımıyla hareket ve enerji transferi
ÜNAL DEĞİRMENCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Yüzey akustik dalga esasına dayanan filtre ve rezonatörlerin analizi ve tasarımı
Analysis and design of surface acoustic wave filters and resonators
ŞENAY CÖMERT
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. ERGÜL AKÇAKAYA
- Design and simulation of micro resonator oscillator for communication circuits
Haberleşme devreleri için mikrorezonatör osilatörlerin tasarımı ve simülasyonu
MUSTAFA PARLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiDOÇ. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- Design and implementation of acoustic-wave-lumped-element resonator-based filters using classical cascade synthesis approach
Klasik kaskat sentez yaklaşımı kullanılarak akustik-dalga-toplu-eleman rezonatörü tabanlı filtrelerin tasarımı ve gerçeklenmesi
YAĞMUR KARAHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEVLÜDE GÜLBİN DURAL ÜNVER
PROF. DR. NEVZAT YILDIRIM