MEMS teknikleri kullanarak esnek piezoelektrik dokunsal algılayıcı dizini üretimi
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Nanoteknoloji ve Nanotıp A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2015
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: ZEYNEP KORKMAZ
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): BİLSAY SÜMER
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Basınç haritası çıkarabilen dokunsal algılayıcılar sanayi, makine endüstri, medikal alanlar gibi birçok faaliyet alanında kullanılmaktadır. Dokunsal algılayıcıların en bilinen uygulaması cep telefonlarında ve bilgisayar ekranlarında kullanılan dokunmatik ekranlardır. Son yıllarda dokunsal algılayıcılar üzerinde yapılan çalışmalar minimal invaziv cerrahisinde (MIS) ve robotik alanda yoğunlaşmaktadır. Geleneksel sanayide kullanılan robotlar boyama, kaplama, kaynak ve montaj gibi ürettim hattında kullanılıyorlar fakat günümüzde insanlar daha hassas ve daha küçük alanlarda da çalışabilen robotlara gereksinim duymaya başladılar. Esnek elektronik teknolojilerinin ve mikro-elektro-mekanik sistemlerinin (MEMS) gelişmesi, dokunsal algılayıcılar üzerinde yapılan çalışmaların gelişmesine sebep olmuştur. Dokunsal algılayıcıyı; temas halinde olan iki katının arasında oluşan temas yüzey alanını ve ilgili basıncı ölçen cihaz olarak tanımlanabilir. Dokunsal algılayıcılar için insan vücudunun en hassas bölgelerinden biri olan parmak uçları örnek alınabilir. Dokunma hissi en fazla parmak uçlarında duyarlılık göstermektedir. İnsanın parmak ucu, 1 cm2 bir alanda 10-40 kPa bir basınçta ve 40 m yanal duyarlılık çözünürlüğünde hissedebilir. Buna ek olarak esnek olmasından dolayı kaymaları ve dinamik yükleri de ayırt edebilir. Bu çalışmada insan derisinin belirli alanda hissettiği basınç algısı üzerinde durulmuştur. Bu tezde iki katın arasındaki temas alanını ve basıncı yüksek çözünürlükle ortaya çıkarabilen esnek piezoelektrik dokunsal algılayıcı üretimi gerçekleştirilmiştir. Algılayıcı üretiminde mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) teknikleri kullanılmıştır. İnsan derisini taklit eden şu anki dokunsal algılayıcılardaki ortak kısıtlamalar, ortamdaki çözünürlük, esneklik ve dokunma hissinin geniş bir alan içinde elde edilememesidir. Bu tezin konusu olan piezoelektrik dokunsal algılayıcı ile bu problemlere çözüm üretilmiştir. Bu tezde üretilen algılayıcının esnek olması için piezoelektrik polimer malzeme kullanılmıştır. Günümüzde yapılan araştırmaların birçoğunda piezoelektrik polimer olarak polyvinylidene flüoride (PVDF) kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise PVDF'nin kopolimeri olan PVDF-TrFe kullanılmıştır. Bunun sebebi ise PVDF-TrFe'nin üretim için ince film haline getirildiğinde, gerdirme işlemi uygulamadan ferroelektrik özellik göstermesidir. Algılayıcının düzgün çalışması ve elde edilecek verinin niteliği üretilen piezoelektrik ince filmin kalitesine bağlıdır. Bu sebeple PVDF-TrFe'den elde edilecek olan filmin nitelikli olması için ince film karakterize edilmiştir. Karakterizasyon için taramalı elektron mikroskopu (SEM), atomik kuvvet mikroskopu (AFM), diferansiyel taramalı kalorimetresi (DSC), termal gravimetrik analiz (TGA), X-ışını kırınım analizi (XRD) yapılmıştır. Bu analizlerden sonra dokunsal algılayıcı üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretimin ilk aşamasında piezoelektrik ince film üzerinde elektrotlar oluşturulmuştur. MEMS üretim tekniklerinden biri olan mikro-işleme ile 2×2 ve 4×4 şeklinde tasarlanan desenli elektrotlar piezoelektrik ince filmin ön yüzeyinde oluşturulmuştur. İnce filmin diğer yüzeyinde ise saçtırma biriktirme cihazı ile desenlenmeden elektrot oluşturulmuştur. Bu aşamadan sonra çözünürlüğü ve hassasiyeti artırmak için mikro-fiber yapı üretilmiştir. Mikro fiberler, polimer bir malzeme olan polydimethylsiloxane (PDMS) ile foto litografi yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Üretimin son aşamasında dönel kaplama cihazı ile PDMS fiberler dokunsal algılayıcıya entegre edilmiştir. Üretimden sonra algılayıcı kalibrasyonu için deney düzenekleri hazırlanmıştır ve algılayıcının performans analizleri yapılmıştır. Analizler fiber dizini entegre edilmiş dokunsal algılayıcı ile düz film dokunsal algılayıcısı karşılaştırılarak yapılmıştır. Elde edilen verilerde fiberli algılayıcının düz film algılayıcısına göre verilen harmonik sinyali girişine göre hassasiyet açısından üstün olduğu gözlemlenmiştir. Düz film algılayıcısının hassasiyeti 0.94 V/N ve PDMS - PVDF-TrFe fiber dizini algılayıcısının hassasiyeti 1.66 V/N olarak bulunmuştur. Dokunsal algılayıcının frekans cevabı ile ilgili yapılan deneylerde ise, algılayıcının 42 Hz değerlerine kadar frekans cevabının yaklaşık olarak sabit kaldığı gözlemlenmiştir.