İnterferometrik fononik kristal sıvı sensörleri
Interferometric phononic crystal liquid sensors
Yazar: EMİNE ATEŞ
Danışman: DOÇ. DR. NURETTİN KÖRÖZLÜ ; DOÇ. DR. AYSEVİL SALMAN DURMUŞLAR
Burdur Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Tez çalışmasında suda periyodik katı saçıcılardan oluşan iki boyutlu fononik kristallerin kullanıldığı Mach-Zehnder interferometresine dayalı sıvı yoğunluk algılayıcıları sayısal hesaplama yöntemleriyle tasarlanıp etil alkol (etanol) içindeki metil alkol (metanol) oranını belirleme özellikleri incelenmiştir. Sonlu Elemanlar Yöntemi simülasyonları ile fononik kristal band yapısı, çizgisel kusur band yapıları, Mach-Zehnder interferometresinin akustik özellikleri ve interferometrenin frekans tepkisinin etanol içerisindeki hacimce metanol oranına bağlı değişimi incelenmiştir. Suda örgü sabiti 4.2 mm olan kare örgü düzeninde yerleştirilen 2.0 mm yarıçaplı çelik çubuklardan oluşan fononik kristalde 119.673-263.901 kHz arasında geniş band aralığı gözlenmiştir. Bir sıra çelik çubuğun çıkarılması ile elde edilen boş çizgisel kusur dalga kılavuzunda 187.460-238.964 kHz arasında iletim sağlayan çizgisel kusur bandı görülmüştür. Bu bandın temel dispersiyon özellikleri kılavuz merkezine içi etanol ile dolu iç ve dış yarıçapları sırasıyla 1.0 mm ve 1.4 mm olan düşük yoğunluklu polietilen hortum konulduğunda önemli değişim sergilememektedir ve iletim bandı çalışma frekansı olan 200 kHz'i kapsamaktadır. Çizgisel kılavuzların 45°, 90° ve 135° bükümlerinde az kayıpla iletim gözlenmiştir. Ek olarak, kılavuzların T ve Y dallanmalarının %50-50 demet bölücü olarak davrandığı belirlenmiştir. 90° büküm ve T dallanması temel alınarak oluşturulan interferometrenin çıkışında 200 kHz civarında 3 adet yüksek kalite faktörlü iletim piki ortaya çıkmaktadır. Etanol içinde metanol oranının %0-20 aralığında artırılması ile bu piklerin tepe frekansının 180 Hz, 160 Hz, 140 Hz oranında doğrusal olarak daha düşük değerlere (kırmızıya) kaydığı gözlenmiştir. Ayrıca, sıfırdan farklı metanol oranları için 202 kHz civarında dördüncü bir pik belirmiştir. Kalite faktörü yüz bin mertebesinde olan bu pikin şiddetinin metanol oranı ile arttığı ve pik frekansının 180 Hz oranında kırmızıya kaydığı gözlenmiştir. Bu sonuçlar önerilen Mach-Zehnder interferometresinin etanol içindeki metanol oranını yüksek hassasiyetle algılayabileceğini göstermiştir. Bu sensör ayrıca doğrusal tepki vermektedir, etiketsiz yapıdadır ve ısınma veya geri kazanım süresi gerektirmemektedir. Sensör başka ikili sıvı karışımları için de kalibre edilip kullanılabilir.

Abstract:
In the thesis study, liquid density sensors based on Mach-Zehnder interferometer using two-dimensional phononic crystals consisting of periodic solid scatterers in water were designed with numerical calculation methods and their properties of determining the ratio of methyl alcohol (methanol) in ethyl alcohol (ethanol) were investigated. Phononic crystal band structure, linear defect band structures, acoustic properties of the Mach-Zehnder interferometer and the change in the frequency response of the interferometer depending on the methanol by volume ratio in ethanol were investigated with the Finite Element Method simulations. A wide band gap between 119.673-263.901 kHz was observed in the phononic crystal, which consists of 2.0 mm radius steel bars placed in a square lattice arrangement with a lattice constant of 4.2 mm in water. In the empty line defect waveguide obtained by removing a row of steel bars, the linear defect band providing transmission between 187.460-238.964 kHz was observed. The basic dispersion properties of this band do not change significantly when a low density polyethylene hose with inner and outer radii of 1.0 mm and 1.4 mm, respectively, filled with ethanol is placed in the guide center, and the transmission band covers the operating frequency of 200 kHz. Transmission with little loss was observed at 45°, 90° and 135° bends of the linear guides. Additionally, it was determined that 50-50% of the T and Y branching of the guides act as bundle separators. At the output of the interferometer, which is formed based on 90° bending and T branching, 3 high quality factor transmission peaks occur around 200 kHz. It was observed that the peak frequency of these peaks shifted linearly to lower values (red) at 180 Hz, 160 Hz, 140 Hz by increasing the methanol ratio in ethanol in the range of 0-20%. Also, a fourth peak appeared around 202 kHz for non-zero methanol ratios. It was observed that the intensity of this peak, whose quality factor is around one hundred thousand, increases with the methanol ratio and the peak frequency shifts to red at 180 Hz. These results showed that the proposed Mach-Zehnder interferometer can detect methanol ratio in ethanol with high sensitivity. This sensor also provides linear response, is label-free and does not require warm-up or recovery time. The sensor can also be calibrated and used for other binary liquid mixtures.