MEMS teknikleri kullanarak esnek piezoelektrik dokunsal algılayıcı dizini üretimi
Fabrication of flexible piezoelectric tactile sensor using MEMS techniques
Yazar: ZEYNEP KORKMAZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology

Özet:
Basınç haritası çıkarabilen dokunsal algılayıcılar sanayi, makine endüstri, medikal alanlar gibi birçok faaliyet alanında kullanılmaktadır. Dokunsal algılayıcıların en bilinen uygulaması cep telefonlarında ve bilgisayar ekranlarında kullanılan dokunmatik ekranlardır. Son yıllarda dokunsal algılayıcılar üzerinde yapılan çalışmalar minimal invaziv cerrahisinde (MIS) ve robotik alanda yoğunlaşmaktadır. Geleneksel sanayide kullanılan robotlar boyama, kaplama, kaynak ve montaj gibi ürettim hattında kullanılıyorlar fakat günümüzde insanlar daha hassas ve daha küçük alanlarda da çalışabilen robotlara gereksinim duymaya başladılar. Esnek elektronik teknolojilerinin ve mikro-elektro-mekanik sistemlerinin (MEMS) gelişmesi, dokunsal algılayıcılar üzerinde yapılan çalışmaların gelişmesine sebep olmuştur. Dokunsal algılayıcıyı;  temas halinde olan iki katının arasında oluşan temas yüzey alanını ve ilgili basıncı ölçen cihaz olarak tanımlanabilir. 
Dokunsal algılayıcılar için insan vücudunun en hassas bölgelerinden biri olan parmak uçları örnek alınabilir. Dokunma hissi en fazla parmak uçlarında duyarlılık göstermektedir. İnsanın parmak ucu, 1 cm2 bir alanda 10-40 kPa bir basınçta ve 40 m yanal duyarlılık çözünürlüğünde hissedebilir. Buna ek olarak esnek olmasından dolayı kaymaları ve dinamik yükleri de ayırt edebilir. Bu çalışmada insan derisinin belirli alanda hissettiği basınç algısı üzerinde durulmuştur. Bu tezde iki katın arasındaki temas alanını ve basıncı yüksek çözünürlükle ortaya çıkarabilen esnek piezoelektrik dokunsal algılayıcı üretimi gerçekleştirilmiştir. Algılayıcı üretiminde mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) teknikleri kullanılmıştır. İnsan derisini taklit eden şu anki dokunsal algılayıcılardaki ortak kısıtlamalar, ortamdaki çözünürlük, esneklik ve dokunma hissinin geniş bir alan içinde elde edilememesidir. Bu tezin konusu olan piezoelektrik dokunsal algılayıcı ile bu problemlere çözüm üretilmiştir.
Bu tezde üretilen algılayıcının esnek olması için piezoelektrik polimer malzeme kullanılmıştır. Günümüzde yapılan araştırmaların birçoğunda piezoelektrik polimer olarak polyvinylidene flüoride (PVDF) kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise PVDF'nin kopolimeri olan PVDF-TrFe kullanılmıştır. Bunun sebebi ise PVDF-TrFe'nin üretim için ince film haline getirildiğinde, gerdirme işlemi uygulamadan ferroelektrik özellik göstermesidir. Algılayıcının düzgün çalışması ve elde edilecek verinin niteliği üretilen piezoelektrik ince filmin kalitesine bağlıdır. Bu sebeple PVDF-TrFe'den elde edilecek olan filmin nitelikli olması için ince film karakterize edilmiştir. Karakterizasyon için taramalı elektron mikroskopu (SEM), atomik kuvvet mikroskopu (AFM), diferansiyel taramalı kalorimetresi (DSC), termal gravimetrik analiz (TGA), X-ışını kırınım analizi (XRD) yapılmıştır. Bu analizlerden sonra dokunsal algılayıcı üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretimin ilk aşamasında piezoelektrik ince film üzerinde elektrotlar oluşturulmuştur. MEMS üretim tekniklerinden biri olan mikro-işleme ile 2×2 ve 4×4 şeklinde tasarlanan desenli elektrotlar piezoelektrik ince filmin ön yüzeyinde oluşturulmuştur. İnce filmin diğer yüzeyinde ise saçtırma biriktirme cihazı ile desenlenmeden elektrot oluşturulmuştur. Bu aşamadan sonra çözünürlüğü ve hassasiyeti artırmak için mikro-fiber yapı üretilmiştir. Mikro fiberler, polimer bir malzeme olan polydimethylsiloxane (PDMS) ile foto litografi yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Üretimin son aşamasında dönel kaplama cihazı ile PDMS fiberler dokunsal algılayıcıya entegre edilmiştir.
Üretimden sonra algılayıcı kalibrasyonu için deney düzenekleri hazırlanmıştır ve algılayıcının performans analizleri yapılmıştır. Analizler fiber dizini entegre edilmiş dokunsal algılayıcı ile düz film dokunsal algılayıcısı karşılaştırılarak yapılmıştır. Elde edilen verilerde fiberli algılayıcının düz film algılayıcısına göre verilen harmonik sinyali girişine göre hassasiyet açısından üstün olduğu gözlemlenmiştir. Düz film algılayıcısının hassasiyeti 0.94 V/N ve PDMS - PVDF-TrFe fiber dizini algılayıcısının hassasiyeti 1.66 V/N olarak bulunmuştur. Dokunsal algılayıcının frekans cevabı ile ilgili yapılan deneylerde ise, algılayıcının 42 Hz değerlerine kadar frekans cevabının yaklaşık olarak sabit kaldığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Tactile sensor is used in many applications such as robotics, computer hardware, manufacturing of automobiles (brakes, door seals, gaskets), security systems and dentistry. The most known application of tactile sensors is touch screen that is used in mobile phones and computer screen. In recent years, tactile sensors are studied and developed in robotics and minimally invasive surgery. In robotics, the emphasis is on building humanlike robots. In traditional industrial robotics, robots perform simple work on production line like painting/coating, welding and assembly. On the other hand, human being need specific robots, which assist human life for many areas, like hazardous work, medical services. Tactile sensors define as a device that can measure a given property of an object or contact event through physical contact between the sensor and the object. 
Tactile sensor is mimicking a human finger, which is the most sensitive sensor for touching. The human finger can feel at a spatial resolution of about 40 m over a contact area of 1 cm2 and at stress level of 10-40 kPa. In this work, sensing of the pressure is focused and studied and this work aims at designing and producing micro polymer fiber arrays of integrated tactile sensor. Tactile sensor is fabricated by using micro- electro-mechanical-systems (MEMS). A common problem seen in the current tactile sensors that mimic the human skin are spatial resolution, sensing in a wide range and flexibility. Produced piezoelectric tactile sensor can be solution these problems. 
 Piezoelectric polymer material is used for flexibility of tactile sensor. Nowadays, polyvinylidene flüoride (PVDF) is studied as a piezoelectric polymer in researches due to its excellent features like flexibility, workability and chemical stability. Otherwise, PVDF-TrFe, PVDF copolymers, is used in this work because it has ferroelectric properties without mechanical stretching at specific temperature. Piezoelectric tactile sensor need high quality film with thin, uniform, non-porous structure and also, deposited thin film in high quality that is necessary to deposit electrodes without causing short circuit. Therefore, PVDF-TrFe thin film is produced and characterized to obtain qualified thin film. Morphology of the films is analyzed by using scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimeter (DSC), thermo gravimetric analyses (TGA). After morphological analyses, metal electrodes are deposited and patterned by using lift off technique. After that, micro polymer fiber arrays are grown on the electrodes with using lithography techniques. In general, micro polymer fibers are only used for adaptation of surface. When polymer fibers are integrated to tactile sensor, we get some solutions for common limitations.
Finally, experimental setup is prepared for the tactile sensor calibration. Experiments are including response of micro polymer arrays of integrated tactile sensor and standard tactile sensor. As a result of experiments, micro polymer arrays of integrated tactile sensor have higher sensitivity than standard tactile sensor. Sensitivity of micro polymer arrays of integrated tactile sensor is computed 1.66 V/N and sensitivity of standard tactile is computed 0.94 V/N. Another experiment is about frequency response of micro polymer arrays integrated tactile sensor and this sensor is observed to be approximately stable up to 42 Hz frequency.