Elektromanyetik metamalzeme tabanlı yapıların mikrodalga frekanslarda sensör uygulamaları

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2021

Tezin Dili: Türkçe

Öğrenci: MUSTAFA SUPHİ GÜLSU

Danışman: BARIŞ AKAOĞLU

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

Sensörler, güvenlik, teşhis, üretim, ürün kontrolü gibi birçok farklı alanda riskli durumları önlemek için kullanılan cihazlardır. Malzemelerin dielektrik özelliklerinin karakterizasyonu ve bağıl nem tespiti, tıp, eczacılık ve geniş kimyasal ve endüstriyel uygulama alanları açısından çok önemli bir role sahiptir. Özellikle fotonik ve elektromanyetik teknolojisine dayalı sensörlerin üretilmesi pahalı ve zorludur. Bu çalışma kapsamında ucuz, etiketsiz, tahribatsız, yeniden kullanılabilir ve kullanımı kolay yeni sensör aygıtları olarak mikrodalga frekanslarda çalışan metamalzeme tabanlı sensörler önerilmiş ve geliştirilmiştir. Bu tezin ilk sensör tasarımında ilk kez saydam, ince ve bükülebilir polikarbonat alttaş kullanılmıştır. Sensör, WR-229 dalga kılavuzuna göre yapılmış olup, yenilikçi bir tasarım içermektedir. Sıvı karışımların metamalzeme sensör yüzeyi ile temasını engellemek için sert strafor köpükten bir el yapımı havuz üretilmiştir. Tez çalışmasında kullanılan ikinci sensör yapısında ise Minkowski-benzeri fraktal bir geometrik yapı kullanılmıştır. Sensörün tam ortasının yüzey normali boyunca kılcal bir cam boru yerleştirmiştir. Temassız ve gerçek zamanlı bir ölçüm imkânı olanağı sağlanmıştır. İki sensör tasarımıyla, etanol-su, metanol-su ve etanol-metanol karışımlarının, ayırt edilme hassasiyetleri incelenmiştir. Rezonans frekans ve Q faktör (veya S21 değeri, dB) verilerinin değişimleri kullanılarak, karışımların karmaşık dielektrik sabitlerinin öngörüsü yapılmıştır. Son çalışma olarak, bağıl nemi algılama için metamalzeme tabanlı sensör tasarımı, sayısal yollarla ticari hesaplamalı elektromanyetik benzetim programı olan CST Microwave Studio kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ön yüzeyi neme duyarlı Kapton HN malzemesi ile kaplı metamalzeme tabanlı sensör yapısı optimize edilerek, ortamın bağıl nem değişimini algılamaya yönelik modellemeler yapılmıştır. Ortamın bağıl nem oranına bağlı olarak Kapton HN filmin etkin karmaşık elektriksel geçirgenlik değeri değişirken, rezonans frekans değişimleri incelenmiş ve yüksek duyarlıklı bir metamalzeme tabanlı bağıl nem sensörü önerilmiştir.