Metal-oksit yarı iletken ince film biriktirme yöntemleri ile giyilebilir sensör uygulamaları
Wearable sensor applications with metal-oxide semiconductor thin film deposition methods
Yazar: ENES NAYMAN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL USTA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH GÖZÜKIZIL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Bu çalışmada, esnek bir malzeme olan ticari iplikler üzerine yarıiletken metal oksit biriktirerek, bu ipliklerin sensör olarak kullanılması amaçlanmıştır. Altlık malzeme olarak belirlenen ipliklerden doğal içerikli olarak pamuk ipliği, sentetik içerikli olarak poliamid ve akrilik iplikleri seçilmiştir. Biriktirme yöntemi olarak ise ipliklere kolay, pratik ve homojen bir yüzey elde etmenin daha mümkün olduğu daldırarak kaplama yöntemi uygulanmıştır. Yarıiletken metal oksit malzemelerden CdO biriktirme malzemesi olarak seçilmiştir. Biriktirilen bu iplik sensörlerin bir gaz odası ortamında elektronik devre yardımıyla LPG gazına karşı tepkileri izlenmiştir.
Çalışmanın ilk kısmında 3 farklı beherde 100 ml'lik 2-metoksietanol kimyasalı içerisine 0.1 M, 0.3 M ve 0.5 M olmak üzere 3 farklı konsantrasyonda kadmiyum asetat dihidrat tuzu ilave edilmiştir. Hazırlanan çözeltiler manyetik karıştırıcı yardımıyla 2 saat boyunca oda sıcaklığında karıştırılmıştır. 24 saat dinlendirme sonrasında biriktirme prosesine hazır hale getirilmişlerdir. Eşit boyutlarda kesilen iplikler, distile su ile temizlenerek 85 °C'de kurutulmuştur. İpliklere sol-gel daldırarak kaplama metoduyla biriktirme yapılmıştır. Her daldırma işleminde; 1 dakika çözelti içerisinde bekletme, geri çıkarma ve 2 dakika boyunca 150 °C'de kurutma olmak üzere 5, 10 ve 15 tekrarlı olarak denemeler yapılmıştır. Numuneler biriktirme işleminden sonra 200 °C'de 1 saat boyunca tavlanmıştır.
Çalışmanın ikinci kısmında ise 3 farklı iplik gaz sensörü numunelerinin biriktirme ve tavlama sonrası ağırlık değişimleri ölçülmüştür. Ayrıca 1.00 K.X. ve 5.00 K.X. büyütme oranlarında SEM görüntüleri incelenerek biriktirme işleminin yüzeylerde oluşturduğu yapılar ve biriktirme verimlilikleri değerlendirilmiştir.
Çalışmanın üçüncü ve son aşamasında ise bir gaz odası sistemi oluşturularak içerisine gaz sensörü elektronik devresi yerleştirilmiştir. Bu devrede +5V DC gerilim sürekli verilecek şekilde, iplik gaz sensörünün iç direncine bağlı olarak değiştirilebilen iki farklı direnç kullanılmıştır. Analog port yardımıyla CdO biriktirilmiş iplik gaz sensörlerinin gaz odası ortamına LPG gazı verildiğinde gerilim değişimi 0-5 V arasında tespit edilerek digital portlara aktarılmıştır. Bu devre ayrıca; devrenin tamamlanması için topraklama yani "Ground" ve tüm sistemin bağlı olduğu programlanabilir, analog-digital bilgi dönüşümü ve kontrolü sağlayan Mikrocontroller Card'dan oluşmaktadır. Analog verilerden alınan verilerin ikaz sistemine dönüştürülebilmesi için sistemde görsel uyarıcı olarak LED ve sesli uyarıcı olarak Buzzer kullanılmıştır.
Yapılan ölçümler incelendiğinde daldırarak kaplama yöntemi ile pamuk ipliklerinin yüzeyde kristal yapı oluşturacak şekilde CdO ile kaplanabildiği gözlemlenmiştir. Elde edilen CdO biriktirilmiş pamuk iplik gaz sensörü LPG gazına karşı tepki vermiştir ve sensör olarak kullanılabilirliği ispatlanmıştır.

Abstract:
In this study, semiconductor metal oxide was deposited on commercial yarns, which are flexible materials, and it was aimed to use these yarns as sensors. Cotton yarn with natural content and polyamide and acrylic yarns with synthetic content were selected from the yarns determined as the substrate material. As a deposition method, dip coating method was applied to the yarns, where it is more possible to obtain an easy, practical and homogeneous surface. CdO semiconductor metal oxide material was used in the deposition process. The responses of these deposited yarn sensors to LPG gas were monitored with the help of an electronic circuit in a gas chamber medium.
In the first part of the study, cadmium acetate dihydrate salt in 3 different concentrations, 0.1 M, 0.3 M and 0.5 M, was added into 100 ml of 2-methoxyethanol chemical in 3 different beakers. The prepared solutions were stirred at room temperature for 2 hours with the magnetic stirrer. After 24 hours of resting, they were made ready for the deposition process. Threads cut in equal sizes were cleaned with distilled water and dried at 85°C. The yarns were deposited by dip coating method and 5, 10 and 15 times repetitions were made, each dipping process being holding in solution for 1 minute, withdrawing and drying at 150 °C for 2 minutes. After deposition, the samples were annealed at 200 °C for 1 hour.
In the second part of the study, the weight changes of 3 different yarn gas sensor samples were measured after deposition and annealing. Also 1.00 K.X. and 5.00 K.X. by examining SEM images at magnification ratios, the structures formed by the deposition process on the surfaces and deposition efficiency were evaluated.
In the third and final stage of the study, a gas chamber system was made and the gas sensor electronic circuit was placed inside. In this circuit, two different resistors, which are used by changing depending on the internal resistance of the yarn gas sensor are used. The system is continuously supplied with +5V DC voltage. With the help of the analog port, the voltage change of the yarn gas sensors, which have deposited CdO, when LPG gas is given to the medium, was detected between 0-5 V and transferred to the digital ports. This circuit is also consists of the ground for the completion of the circuit and the Microcontroller Card that provides programmable analog-digital information conversion and control to which the whole system is connected. In order to convert the data received from analog data to the warning system, LED as a visual stimulus and Buzzer as an audible stimulus were used in the system.
When the measurements were examined, it was observed that cotton yarns could be coated with CdO by the dip coating method, resulting in the formation of a crystalline structure on the surface. The obtained CdO deposited cotton yarn reacted against the LPG gas of the gas sensor and proved its usability as a sensor.