Yüksek hassasiyetli çok katmanlı esnek YAD sıcaklık sensörünün modellenmesi ve üretimi
Modeling and fabrication of high sensitivity multilayer flexible SAW temperature sensor
Yazar: YEŞİM YALÇIN
Danışman: PROF. DR. BARIŞ KINACI ; DR. MURAT KALEMCİ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Genel Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Sıcaklık ölçmek için yarıiletken oksit, optik fiber ve kızılötesi sıcaklık sensörleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak mevcut sıcaklık sensörlerinin güç kaynağı ve data iletimi ile ilgili sınırlamaları vardır. Bu durumlarda özellikle yüzey akustik dalga (YAD) sensörler pilsiz çalışma gerçek zamanlı ve uzaktan veri iletimi gibi önemli avantajlara sahiptir.
Sıcaklık algılama için tasarlanan bir YAD sensöründe anahtar parametrelerden biri bağıl sıcaklığa göre frekans değişim oranı olarak tanımlanan frekans sıcaklık katsayısıdır (Temperature Coefficient of Frequency, TCF). Çoğu malzeme negatif TCF değerine sahiptir. Bu YAD aygıtında frekansın sıcaklıktaki bir artış ile azaldığı anlamına gelmektedir. YAD sıcaklık sensörlerinde TCF değerinin iyi bir doğrusallığa ve büyük bir mutlak değere sahip olması istenir. Bu nedenle aygıtın sıcaklık duyarlılığını arttırmak için daha yüksek ses hızına sahip safir veya elmas gibi piezoelektrik malzemelar kullanılarak YAD aygıtların rezonans frekansları yüzlerce GHz'e kadar arttırılmıştır. Bu yöntem algılama yanıtlarını arttırırken üretim maliyetlerini ve ölçüm karmaşıklığını da artırmaktadır. Uygun düşük maliyetli malzemeler veya esnek alttaşlı çok katmalı tasarımlar seçerek rezonans frekansında artışa gerek kalmadan TCF değerinin nasıl maksimize edilebileceğine dair literatürde birkaç çalışma vardır. Ayrıca aynı işaretli TCF değerlerine sahip iki malzeme kullanılarak TCF değerinin genişletilmesi bildiğimiz kadarıyla literatürde henüz gösterilmemiştir.
Bu tez çalışması, katmanlı YAD sıcaklık sensörleri için uygun esnek bir alttaş ve tabaka kalınlığı belirleyerek çok katmanlı yapıda mümkün olan en geniş TCF değeri elde ederek yüksek doğrulukta sıcaklık algılayan bir YAD sıcaklık sensörü tasarlanmasını ve üretimini kapsamaktadır. YAD sensörlerinin üretim aşamasında magnetron saçtırma sistemi kullanılmıştır. İç içe geçmiş taraklı transdüserler analitik ifadeler kullanılarak tasarlanarak, oluşan yüzey akustik dalgalar Comsol simülasyon programı kullanılarak sonlu elemanlar yöntemi (Finite Element Method, FEM) ile karakterize edilmiştir. Transdüserler piezoelektrik malzeme üzerinde geleneksel litografi yöntemi kullanılarak oluşturulmuştur. Sensörün sıcaklık algılamadaki hassasiyeti, Tübitak UME Sıcaklık Laboratuvarı bünyesinde uluslararası sıcaklık standardı ITS 90'a izlenebilir şekilde daha önceden kalibre edilmiş bir referans termometre kullanılarak karşılaştırmalı yöntem ile belirlenmiştir.
Çok katmanlı esnek YAD sıcaklık sensörleri ilk kez bu çalışmada üretilmiştir. Düşük maliyetli ve aynı işaretli TCF değerine sahip malzemeler kullanılarak üretilen çok katmanlı bu esnek YAD sıcaklık sensörlerinden en yüksek TCF değeri, AIN kalınlığı h(AIN )= 4,5 μm ve  h_(TiO2 )⁄λ oranı 0,05 olan çok katmanlı AIN/TiO2/PEN esnek YAD sıcaklık sensöründe 859,75 ppm/°C olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Semiconductor oxide, optical fiber, and infrared temperature sensors are commonly used for temperature measurement. However, current temperature sensors have limitations and limitations regarding power supply and data transmission. In these cases, especially Surface Acoustic Wave (SAW) sensors have important advantages such as battery-free operation, real-time and remote data transmission.
One of the key parameters in a SAW sensor designed for temperature sensing is the Temperature Coefficient of Frequency (TCF), which is defined as the rate of change of frequency with respect to the relative temperature. Most materials have a negative TCF value. This means that the frequency in the SAW device decreases with an increase in temperature. In SAW temperature sensors, it is desirable that the TCF value has good linearity and a large absolute value. Therefore, in order to increase the temperature sensitivity of the device, the resonance frequencies of SAW devices have been increased up to hundreds of GHz by using piezoelectric substrates with higher sound velocity such as sapphire or diamond. While this method increases detection responses, it also increases production costs and measurement complexity. There are few studies in the literature on how the TCF value can be maximized without the need for an increase in resonance frequency by choosing suitable low-cost materials or multilayer designs with flexible substrates. In addition, the expansion of the TCF value by using two materials with the same marked TCF values has not yet been shown in the literature. 
This thesis covers the design and production of a SAW temperature sensor with high accuracy by determining an appropriate flexible substrate and layer thickness for multi-layer SAW temperature sensors, aiming to achieve the widest possible TCF value in a multi-layer structure. A magnetron sputtering system was used during the production of the SAW sensors. Interdigitated transducers were designed using analytical expressions, and the resulting surface acoustic waves were characterized using the Finite Element Method (FEM) with the Comsol simulation program. The transducers were fabricated on a piezoelectric material using the traditional lithography method. The sensitivity of the sensor in temperature detection was determined using a comparative method, employing a reference thermometer previously calibrated to the international temperature standard ITS-90 at the TÜBİTAK UME Temperature Laboratory.
Multilayer flexible SAW temperature sensors were produced for the first time in this study. The highest TCF value for these multilayer flexible SAW temperature sensors, which were fabricated using low-cost materials with the same sign TCF values, was obtained as 859.75 ppm/°C in the AIN/TiO2/PEN flexible SAW temperature sensor with an AIN thickness of h(AIN )= 4.5 μm and an h(TiO2 )⁄(λ )ratio of 0.05.