Mikroakışkan sistemlerinde yüzey akustik dalgaları ile bessel demeti üretimi ve karakterizasyonu
Bessel beam generation and characterization by surface acoustic waves in microfluidic systems
Yazar: YEŞİM YALÇIN
Danışman: PROF. DR. AYŞE EROL ; DOÇ. DR. AHMET ÇİÇEK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Lityum niyobat (LiNbO3) piezoelektrik alttaş üzerinde iç içe geçmiş taraklı transdüserler (Inter-digital Transducer, IDT) kullanılarak durağan yüzey akustik dalgası (YAD) ve YAD Bessel demetleri üretilerek, YAD'ların optik ve elektriksel karakterizasyonu yapılmıştır. Rayleigh YAD'ları ve YAD Bessel demetlerinin alttaş üzerindeki yüzey davranışlarının incelenmesi için sonlu elemanlar yöntemi (Finite Element Method, FEM) kullanılarak Comsol 5.3a programı ile simülasyonlar yapılmıştır.
Örneklerin fabrikasyonu standart fotolitografi yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Bu çalışmada ilk olarak, alttaş üzerinde durağan YAD'lar sabit parmak aralıklı IDT çiftleri kullanılarak üretilmiştir. Bu örnekten elde edilen simülasyon sonuçları ve deneysel veriler ışığında LiNbO3 alttaş üzerinde sabit aralıklı IDT'lerin akustik eksenle belirli bir θ açısı yapacak şekilde konumlandırılması ile YAD Bessel demeti elde edilebileceği öngörülmüş ve akustik eksenle 15o ve 20o açı yapan sabit parmak aralıklı YAD Bessel demeti IDT çiftleri tasarlanmış ve fabrikasyonu tamamlanmıştır. Geniş bir frekans aralığında YAD Bessel demeti elde etmek için ise tez kapsamında YAD Bessel demeti IDT çiftleri değişken parmak aralıklı olarak tasarlanmıştır.

YAD'ların elektriksel karakterizasyonu için karşılıklı IDT'lerin birisi YAD uyarıcısı ve diğeri algılayıcı olarak kullanılarak spektrum analizöründe frekans spektrumları elde edilmiştir. YAD'ların görselleştirilmesi için, nano boyutlu duman parçacıkları, Schlieren optiği, girişim yöntemi, ince sıvı film uygulaması ve ince sıvı filmlerin girişimi gibi farklı yöntemler denenmiştir.
Bu çalışmada üretilen IDT çiftlerinin rezonans frekansı simülasyonlar ile 13.3 MHz olarak hesaplanmıştır. Yapılan elektriksel ölçüm sonucunda ise rezonans frekansı simülasyonlar ile oldukça uyumlu bir şekilde 13.52 MHz olarak belirlenmiştir. 
YAD Bessel demetleri ilk kez üretilmiştir. YAD Bessel demetleri yalnızca iki transdüser kullanan sade bir sistemle elde edildiği için bu basit sistemin mikroakışkan sistemlerde basit parçacık manipülasyonunda kullanılacağı yaklaşımlarının geliştirilmesine katkıda bulunması beklenmektedir.

Abstract:
In this study, the surface acoustic wave (SAW) and surface acoustic wave Bessel beams were generated by using the inter digital transducers (IDT) fabricated on the lithium niobate (LiNbO3) piezoelectric substrate. And then SAWs were examined as optically and electrically. Simulations were carried out with Comsol 5.3a program by using finite element method (Finite Element Method, FEM) in order to examine the surface behavior of Rayleigh SAWs and SAW Bessel beams.
The samples were fabricated by using standard photolithography method. Firstly in this study, standing SAWs on the substrate were generated by using IDT pairs with constant finger widths. In the light of the simulation and experimental results obtained from this sample, it was foreseen that the SAW Bessel beams can be obtained with positioned IDTs have a certain tilt angle with the acoustic axis on the LiNbO3 substrate. And the SAW Bessel beam IDT pairs with constant finger width were designed and fabricated as have 15o and 20o tilt angles with acoustic axis. Also, in order to obtain SAW Bessel beam with a wide frequency range, SAW Bessel beam IDT pairs were designed and fabricated as variable finger width.

Electrical characterization of SAWS have been obtained frequency spectrums in the spectrum analyzer by using as an sensing element the other and as SAW exciting one of the opposite IDTS. For the visualization of SAWS were experienced different methods such as nano-sized smoke particles, Schlieren optic, interference method, thin liquid film application and interference of thin liquid films.
The resonance frequency of the generated IDT pairs in this study was calculated as 13.3 MHz with simulations.  As a result of the electrical measurement, the resonance frequency was determined as 13.52 MHz in good agreement with simulations.
SAW Bessel beams were generated for the first time. Since SAW Bessel beams were generated with a simple system using only two transducers, this simple system is expected to contribute to the development of simple particle manipulation approaches, which can be used in microfluidic systems.