Biyobenzer ve hibrit kalıplar kullanarak piezodirençli sensör üretimi
Piezoresistive sensor production using biomimetic and hybrid patterns
Yazar: ESRA ŞEN
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KALELİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Giyilebilir elektronik son yıllarda esneklik, dayanıklılık ve işlevsel çeşitlilik gibi özellikleri kapsayan kolay üretim yöntemleriyle sensör teknolojisindeki araştırma konularının başında gelmektedir. Giyilebilir elektronik, insan vücudunda gerçekleşen hareketleri; elektronik giyim eşyaları, GPS tabanlı takip cihazları ve kişisel video kayıt cihazları vb. yardımıyla izleyebilmektedir. Akıllı giyilebilir elektronikler yaygınlaştıkça, elektronikle kolayca uyum sağlayan ve uzun süre kullanıldığında kullanıcıların ihtiyaçlarını karşılayan esnek, dayanıklı ve nefes alabilen elektrotlara yönelik gereksinimler de gittikçe artmaktadır. Biyobenzetim bilimi; doğada bulunan organizmaların özelliklerini anlamak, bu özellikleri taklit etmek ve uygulama alanlarına entegre etmek üzerine çalışır. Biyobenzetim çalışmaları; yapay sinir ağları, biyolojik algılama sistemleri, biyolojik materyallerin sentezi, biyoyakıt üretimi, biyolojik veri işleme ve biyolojik sistemlerin optimize edilmesi gibi alanlarda gerçekleştirilebilir. Bu çalışmalar, doğadaki etkili ve verimli süreçlerin anlaşılmasını sağlayarak çeşitli endüstriyel, çevresel veya tıbbi uygulamalar için yenilikçi çözümler sunabilir. Bu tez çalışmasında biyobenzetim uygulamaları alanına katkı sağlaması amacıyla sazan balığı (Cyprinus carpio) pulunun desenleri PDMS ile kalıplanıp taklit edilmiş ve sensör aktif katmanı için kullanılabilirliği araştırılmıştır. PEDOT: PSS polimeri, Ultrasonik Sprey Piroliz (USP) yöntemiyle bu desenler üzerine kaplanarak elektriksel iletkenlikleri sağlanmış ve piezodirençli sensörler üretilerek karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Sazan balığı pulunun desenleri ilk defa bu çalışmada PDMS polimeri ile başarılı bir şekilde kalıplanmıştır. Basit üretim basamakları içeren, maliyet etkin bir ince film kaplama yöntemi olan USP kullanılarak PEDOT: PSS polimeri balık pulu desenli PDMS kalıbı üzerinde biriktirilmiştir. Balık pulu desenli PDMS'ler PEDOT: PSS ile kaplandıktan sonra gümüş pasta ile kontak alınarak aktif yüzeyler birbirine temas edecek şekilde ayarlanmış ve farklı gerilim değerleri altında akım geçirgenliği ölçülmüştür. Eniyileştirilmiş biyobenzer ve inorganik desenlenmiş sensörlerden elde edilen yanıt ve toparlanma süreleri 100 ms'nin altında olup literatür ile uyum içerisindedir. Hızlı yanıt ve toparlanma sürelerinin yanında dayanım testleri de yapılan sensörlerin 50 MPa basınçların üzerinde çalışabilirliği gösterilmiştir. Mekanik aktüatör, kalp atım sinyali ve ses dalgaları gibi çok geniş aralıktaki kuvvetlere karşı tepkileri test edilen sensörler başarılı bir şekilde çalışmıştır. Üretim kolaylığı, maliyeti ve uygun yanıt ve tepki süreleri ile bu biyobenzer piezodirençli sensörler giyilebilir elektronik ve IoT uygulamalarında kolayca yer bulabilir. 

Anahtar Kelimeler: Biyobenzetim, Piezodirençli Sensör, Giyilebilir Elektronik, Ultrasonik Sprey Piroliz.

Abstract:
Wearable electronics have been one of the leading research topics in sensor technology in recent years, with easy production methods that include features such as flexibility, durability, and functional diversity. Wearable electronics can define the changes in the human body can be monitored by; electronic clothing items, GPS-based tracking devices, and personal video recorders, etc. As smart wearable electronics become more widespread, the requirements for flexible, durable, and breathable electrodes that are easily compatible with electronics and meet the needs of users when used for a long time are also increasing. Biomimicry science works on understanding the characteristics of organisms found in nature, imitating these characteristics, and integrating them into application areas. Biomimicry studies can be realized in areas such as artificial neural networks, biological sensing systems, synthesis of biological materials, biofuel production, biological data processing, and optimization of biological systems. These studies provide an understanding of effective and efficient processes in nature, which can provide innovative solutions for various industrial, environmental, or medical applications. In this thesis study, to contribute to the field of biomimicry applications, the patterns of carp fish (Cyprinus carpio) scales were molded and imitated with PDMS, and their usability for the sensor active layer was investigated. PEDOT: PSS polymer was coated on these patterns with the Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) method to ensure electrical conductivity and after producing piezoresistive sensors the characterization processes carried out. Carp fish scale patterns were successfully molded with PDMS polymer for the first time in this study. PEDOT: PSS polymer was deposited on a fish-scale patterned PDMS mold using USP, a cost-effective thin film coating method with simple production steps. After the fish scale patterned PDMS were coated with PEDOT: PSS, they were contacted with silver paste, the active surfaces were adjusted to contact each other, and the current mechanism was measured under different voltage values. The response and recovery times of the optimized bioinspired and inorganic patterned sensors are below 100 ms and agree with the literature. In addition to fast response and recovery times, the sensors have also been tested for durability and have been shown to be operable at pressures above 50 MPa. The sensors, whose reactions were tested against a wide range of forces such as mechanical actuators, heartbeat signals, and sound waves, worked successfully. With their ease of fabrication, cost, and reasonable response and recovery times, these bioinspired piezoresistive sensors can easily find a place in wearable electronics and IoT applications.

Keywords: Biomimicry, Piezoresistive Sensor, Wearable Electronics, Ultrasonic Spray Pyrolysis.