Giyilebilir cihazlar için dinamik gerinim aralığında çalışan grafen tabanlı esnek nanokompozit sensörlerin geliştirilmesi
Development of graphene-based flexible nanocomposite sensors operating in the dynamic strain range for wearable devices
Yazar: HANDAN KUTLU BALIKÇI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM BAYRAM
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Kimya = Chemistry
Dizin: Grafen = Graphene ; Termoplastik malzemeler = Thermoplastic materials

Özet:
Bu tez kapsamında aynı bölgede iki farklı gerinime cevap verebilen ya da dinamik aralık içerisinde çalışabilecek bir gerinim sensörünün geliştirilmesi amaçlanmıştır.  Bu amaçla grafen ve termoplastik poliüretan temelli ve iki katmandan oluşan sensör yüzeylerine rezistif karakterde desen oluşturulmuş ve farklı rezistif nano dolgu malzemesi içeren mürekkeplerin dinamik gerilim altında detaylı elektriksel karakterizasyonları tamamlanmıştır. Bu iki katmanda kullanılan mürekkeplerin rezistif dolgu malzemesi/ termoplastik poliüretan oranlarını belirlemek amacıyla öncelikle tek katmanlı bir sensör fabrikasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu sensörlerin tepki süresinin ölçülmesi, ölçüm faktörü, lineer çalışma aralığı ve histeresiz analizleri yapılmıştır. Gerçekleştirilen analizler sonucunda tek katmanlı sensör tasarımında, yüksek ve düşük konsantrasyon değerlerinde sensörlerin verdiği tepkiler belirlenmiştir. Bu tepkilerden yola çıkılarak, aynı bölgede kullanılabilecek iki farklı değeri aynı anda ölçebilen iki katmanlı bir sensör tasarlanmıştır.  Bu sensörde, yüzeyin birinde düşük, (%25 GNP/TPU oranına) diğeri yüzeyinde ise yüksek (%60 GNP/TPU ve %70 GNP/TPU oranlarına) grafen nanomalzeme konsantrasyonuna sahip matris kullanılmıştır ve sensörlerin verdiği tepkiler karakterize edilmiştir. Tez kapsamında aynı anda bir gerinime farklı çözünürlüklerde cevap verebilen, düşük gerinimlerde hassas çalışan bir sensör geliştirilmiştir. Üretilen bu sensörlerin %1-10 gerinime kadar, ölçüm faktörü değerleri 32.96 ile 41.54, %10-50 gerinimlere kadar ölçüm faktörü değerleri 7.85-4.95 arasındadır.

Abstract:
The aim of this thesis is to develop a strain sensor capable of responding to two different strains in the same region or operating within the dynamic range. To achieve this, a resistive pattern was created on the two-layer sensor surfaces using graphene and thermoplastic polyurethane. Detailed electrical characterizations of inks containing different resistive nanofillers under dynamic voltage were completed. To determine the ratios of resistive filler material to thermoplastic polyurethane inks used in the two layers, we first carried out a single-layer sensor fabrication. We then analyzed the response time, measurement factor, linear operating range, and hysteresis of these sensors. The analyses revealed the responses of the sensors at high and low concentration values in the single-layer sensor design. A two-layer sensor was designed based on these reactions, capable of simultaneously measuring two different values in the same area. The sensor uses a matrix with low graphene nanomaterial concentration (25% GNP/TPU ratio) on one surface and high concentration (60% GNP/TPU and 70% GNP/TPU ratios) on the other surface. The responses of the sensors were characterized. A sensor has been developed within the scope of this thesis that can respond to strain with different resolutions and works sensitively at low strains. The measurement factor values of these sensors range from 32.96 to 41.54 for 1-10% strain and 7.85-4.95 for 10-50% strain.