Kuvars kristal mikrobalans tabanlı algılama sistemi donanım tasarımı
Quartz crystal microbalance based sensing system hardware design
Yazar: HAKAN AKIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ULVİ BAŞPINAR ; DOÇ. DR. SADULLAH ÖZTÜRK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kuvars kristal = Quartz crystal ; Piezoelektrik = Piezoelectric ; Sensörler = Sensors ; Sistem tasarımı = System design

Özet:
Bu çalışmada, KKM (Kuvars Kristal Mikrobalans) tekniği ile küçük miktarlardaki kütle değişimlerin kayıt altına alınarak izlenebildiği çok kanallı veri toplama sistem geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, KKM sensör için TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Malzeme Enstitüsü Sensör Grubu tarafından çeşitli maddeler ile kaplanan sensörler kullanılarak testler gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada kullanılan piozoelektrik kristal, AT kesim, 10 MHz, çeşitli maddelerle kaplanmış elektrotlu kuvars kristal sensördür. Çalışmada verilerin toplanıp işlenmesinden ve bilgisayara seri port üzerinden gönderilmesinden FPGA (Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri) ünitesi sorumludur. FPGA için Zybo Z7 geliştirme kartı kullanılmıştır. Çalışma kapsamında osilatör şartlandırıcı devreleri tasarlanmıştır. Kartta her bir kanal için, birer osilatör şartlandırıcı devre kullanılmış ve sensörden alınan sinyaller öncelikle bu devrede TTL sinyallere çevrilerek frekans hesabı için FPGA geliştirme kitine gönderilmiştir. Frekans ölçümleri tüm kanallar paralel olacak şekilde yapılarak bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Aktarılan bu frekans bilgileri hem Excel formatında kaydedilmiş hem de grafik ekran olarak çizdirilmiştir. Çalışmada FPGA için Vivado derleyicisinde Verilog programlayıcı dili kullanılmıştır. Bilgisayarda tasarlanan ara yüz için Pyhton programlayıcı dili kullanılmıştır. Tasarlanan sistem ile 2 ayrı test yapılmıştır. Sistemin ölçüm hassasiyetini belirlemek için ilk olarak dışardan sinyal üreteci ile hem çalışmada tasarlanan FPGA sistemine hem de referans frekans ölçüm cihazına aynı frekanslar giriş olarak uygulanmıştır. Tasarlanan FPGA sisteminin frekans ölçüm aralığı 11Hz – 75MHz iken ölçüm hassasiyeti 0,01 civarlarında olmuştur. İkinci test olarak TÜBİTAK MAM sensör grubu tarafından farklı kaplamalara sahip 4 sensör ile yine TÜBİTAK MAM sensör grubunun tasarladığı veri toplama sistemi ile karşılaştırmalı testler yapılmıştır. Test kapsamında öncelikle sensörler TÜBİTAK MAM sensör grubunun tasarladığı sisteme takılmış sonuçlar kaydedilmiştir. Sonrasında 4 farklı sensör bu çalışma için tasarlanan çok kanallı veri toplama sistemine takılmış bu verilerde kaydedilmiştir. İki sistemden alınan veriler karşılaştırılmak üzere Excel programında grafiksel olarak çizdirilmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir.

Abstract:
The aim of the study is to develop a multi-channel data collection system in which small amounts of chemical mass changes can be recorded and monitored with the QCM (Quartz Crystal Microbalance) technique. In this context, tests were carried out for the QCM sensor by using sensors coated with various substances by the TÜBİTAK Marmara Research Center Materials Institute Sensor Group. The piezoelectric crystal used in this study is an AT cut, 10 MHz, quartz crystal sensor with electrodes coated with various materials. In the study, the FPGA (Field Programmable Gate Arrays) unit is responsible for collecting and processing the data and sending it to the computer via the serial port. Zybo Z7 development board is used for FPGA. Within the scope of the study, oscillator conditioner circuits are designed. An oscillator conditioner circuit was used for each channel on the board and the signals received from the sensor were first converted to TTL signals in this circuit and sent to the FPGA development kit for frequency calculation. Frequency measurements were made in parallel with all channels and transferred to the computer environment. This transmitted frequency information is both saved in Excel format and plotted as a graph as well. Verilog programming language was used in Vivado compiler for FPGA in the study. Python programming language was used for the interface designed on the computer. Two separate tests were carried out with the designed system. In order to determine the measurement sensitivity of the system, the same frequencies were applied as input to both the FPGA system and the reference frequency measurement device with an external signal generator. The frequency measurement range of the designed FPGA system was 11Hz – 75MHz having a measurement accuracy of around 0,01. As the second test, comparative tests were conducted by the TÜBİTAK MAM sensor group with 4 sensors with different coatings and the data was compared through the data collection system designed by the TÜBİTAK MAM sensor group. Within the scope of the test, the sensors were first installed in the system designed by the TÜBİTAK MAM sensor group, and the results were recorded. Afterwards, 4 different sensors were attached to the multi-channel data acquisition system designed for this study, and this data was recorded. The data from the two systems was graphically compared using the Excel application, and the outcomes were evaluated.