Frequency-domain modeling and optimization of graphene FET-based molecular communication receivers
Grafen FET tabanlı moleküler haberleşme alıcılarının frekans-bölgesi modellemesi ve optimizasyonu
- Tez No: 905008
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KUŞCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Moleküler Haberleşme (MH), bilgi aktarımında molekülleri kullanan biyomimetik bir haberleşme paradigmasıdır. Bu alışılmadık haberleşme tekniği üzerine yapılan araştırmalar son dönemde teorik incelemelerden, mikroakışkanlar ve sensör teknolojilerinden faydalanan pratik test platformu uygulamalarına geçiş yapmıştır. Gerçek dünya senaryolarını yansıtan bu platformlarda giriş-çıkış ilişkileri için doğru modellerin geliştirilmesi, modülasyon ve algılama tekniklerinin değerlendirilmesi, optimize edilmiş MH yöntemlerinin oluşturulması ve fiziksel parametrelerin performans üzerindeki etkisinin anlaşılması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu tezde, bir grafen alan etkili transistör biyosensörü (bioFET) tabanlı MH alıcısına sahip pratik bir mikroakışkan MH sistemi model olarak ele alınmış ve analitik bir uçtan uca frekans-alanı modeli geliştirilmiştir. Model, alınan sinyallerin dağılımı ve bozulması hakkında pratik içgörüler sağlayarak yeni frekans-alanı MH tekniklerinin, modülasyon ve algılama yöntemlerinin tasarımına katkıda bulunmaktadır. Geliştirilen modelin doğruluğu, mikroakışkan kanallarda atım iletiminin ve alıcı yüzeyindeki ligand-reseptör bağlanma reaksiyonlarının parçacık tabanlı uzamsal stokastik simülasyonları ile doğrulanmıştır. İkinci bölümde, grafen bioFET tabanlı bir MH alıcısının üretimi ve karakterizasyonu üzerine yürütülen çalışmalar detaylandırılmaktadır. Bu mikro/nano ölçekli alıcı, bir mikroakışkan kanala entegre edilerek, sıvı kanalından geçen hedef bilgi moleküllerini tespit etmek amacıyla tek sarmallı DNA molekülleri tabanlı reseptörlerden oluşan bir biyo-tanıma katmanı ile fonksiyonelleştirilmiştir. Veri hızını artırmak için denge-öncesi (pre-equilibrium) bir algılama yöntemi araştırılmıştır. Sensörün ilk testleri, iyonik konsantrasyona dayalı algılama ile gerçekleştirilmiştir. Üretilen MH alıcısı, her fonksiyonelleştirme adımında transfer karakteristikleri ve histerezis açısından elektriksel olarak karakterize edilmiştir. Grafenin parazit akımı ve mobilitesi elde edilmiştir. DNA reseptörler ile fonksiyonelleştirildikten sonra, sensörün zamana bağlı yanıtı, hem sabit hem de değişen atım genişliklerine sahip hedef DNA konsantrasyonu atımları kullanılarak elde edilmiştir. Ayrıca, sensörün semboller arası girişim (SAG) performansını değerlendirmek için bir SAG analizi yapılmıştır. Son olarak, çeşitli veri hızları ve sistem parametreleri incelenerek, MH düzeneği ile ikili (binary) veri iletimi gerçekleştirilmiştir. Atım genişliği, sembol süresi, akış hızı ve hedef DNA konsantrasyonu gibi anahtar faktörlerin etkileri incelenmiştir. Bu bağlamda, bu deneysel çalışma, önceki metodolojileri ve tasarımları optimize ederek, pratik MH tekniklerinin ilerlemesine katkı sağlamayı hedeflemiştir.
Özet (Çeviri)
Molecular Communication (MC) is a bio-inspired communication paradigm utilizing molecules for information transfer. Research on this unconventional communication technique has recently started to transition from theoretical investigations to practical testbed implementations, primarily harnessing microfluidics and sensor technologies. Developing accurate models for input-output relationships on these platforms, which mirror real-world scenarios, is crucial for assessing modulation and detection techniques, devising optimized MC methods, and understanding the impact of physical parameters on performance. In this thesis, we consider a practical microfluidic MC system equipped with a graphene field effect transistor biosensor (bioFET)-based MC receiver as the model system, and develop an analytical end-to-end frequency-domain model. The model provides practical insights into the dispersion and distortion of received signals, informing the design of new frequency-domain MC techniques, such as modulation and detection methods. The accuracy of the developed model is verified through particle-based spatial stochastic simulations of pulse transmission in microfluidic channels and ligand-receptor binding reactions on the receiver surface. In the second part, I detail the fabrication and characterization of a graphene bioFET-based MC receiver. This micro/nanoscale receiver is integrated into a microfluidic channel and functionalized with a biorecognition layer composed of single-stranded DNA molecules-based receptors, designed to detect the target information molecules flowing through the fluidic channel. A pre-equilibrium detection method was explored to improve the data rate. The sensor's initial performance tests involved detection experiments with information encoded into ionic concentration. The fabricated MC receiver was electrically characterized in terms of transfer characteristics and hysteresis at each step of functionalization. The parasitic current and mobility of the device is obtained. After functionalization with probe DNA, the receiver's time-varying response to concentration pulses of complementary target DNA was acquired with both fixed and varying pulse widths. Additionally, an intersymbol interference (ISI) analysis was conducted to evaluate the sensor's ISI performance. Finally, binary data transmission was performed using the MC setup, exploring various data rates and system parameters. The effects of key factors such as pulse width, symbol duration, flow velocity, and target DNA concentration were investigated. As such, this experimental work refined and optimized methodologies and designs from previous research, aiming at advancing practical MC techniques.
Benzer Tezler
- Physical Based Modeling of the Electrochemical Impedance of Lithium-Ion Batteries
Lityum-iyon bataryaların elektrokimyasal empedansının fiziksel modeli
ONGUN BORA SABAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
EnerjiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ ARSLAN
DOÇ. DR. MUSTAFA FAZIL SERİNCAN
- Busbar enerji dağıtım hatlarının geniş bant PLC kanal modellemesi ve başarım analizi
Broadband PLC channel modeling and performance analysis of busbar energy distribution systems
ZEYNEP HASIRCI
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI ÇAVDAR
- Optimization of ride comfort for vehicles equipped with passive and active hydro-pneumatic suspensions
Pasif ve aktif hidropnömatik süspansiyonlu araçların sürüş konforunun optimizasyonu
FERHAT SAĞLAM
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAVUZ SAMİM ÜNLÜSOY
- Viskoelastik katmanlı kompozit kabukların sonlu elemanlar ve diferansiyel kuadratür yöntemleri entegre edilmiş genetik algoritmalar ile optimal tasarımı
Optimal design of viscoelastic-layered composite shells using finite elements and differential quadrature methods integrated with genetic algorithms
UFUK KOL
Doktora
Türkçe
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Esnek sistemlerde aktif titreşim kontrolü
Active vibration control of flexible systems
ARZUMAN CAN KUTLUCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN SÜMER