Elektromanyetik metamalzeme tabanlı yapıların mikrodalga frekanslarda sensör uygulamaları
Sensors applications of metamaterial based structures in microwave frequencies
Yazar: MUSTAFA SUPHİ GÜLSU
Danışman: PROF. DR. BARIŞ AKAOĞLU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Mikrodalgalar = Microwaves ; Sensörler = Sensors

Özet:
Sensörler, güvenlik, teşhis, üretim, ürün kontrolü gibi birçok farklı alanda riskli durumları önlemek için kullanılan cihazlardır. Malzemelerin dielektrik özelliklerinin karakterizasyonu ve bağıl nem tespiti, tıp, eczacılık ve geniş kimyasal ve endüstriyel uygulama alanları açısından çok önemli bir role sahiptir. Özellikle fotonik ve elektromanyetik teknolojisine dayalı sensörlerin üretilmesi pahalı ve zorludur. Bu çalışma kapsamında ucuz, etiketsiz, tahribatsız, yeniden kullanılabilir ve kullanımı kolay yeni sensör aygıtları olarak mikrodalga frekanslarda çalışan metamalzeme tabanlı sensörler önerilmiş ve geliştirilmiştir. 
Bu tezin ilk sensör tasarımında ilk kez saydam, ince ve bükülebilir polikarbonat alttaş kullanılmıştır. Sensör, WR-229 dalga kılavuzuna göre yapılmış olup, yenilikçi bir tasarım içermektedir. Sıvı karışımların metamalzeme sensör yüzeyi ile temasını engellemek için sert strafor köpükten bir el yapımı havuz üretilmiştir. Tez çalışmasında kullanılan ikinci sensör yapısında ise Minkowski-benzeri fraktal bir geometrik yapı kullanılmıştır. Sensörün tam ortasının yüzey normali boyunca kılcal bir cam boru yerleştirmiştir. Temassız ve gerçek zamanlı bir ölçüm imkânı olanağı sağlanmıştır. İki sensör tasarımıyla, etanol-su, metanol-su ve etanol-metanol karışımlarının, ayırt edilme hassasiyetleri incelenmiştir. Rezonans frekans ve Q faktör (veya S21 değeri, dB) verilerinin değişimleri kullanılarak, karışımların karmaşık dielektrik sabitlerinin öngörüsü yapılmıştır.      
Son çalışma olarak, bağıl nemi algılama için metamalzeme tabanlı sensör tasarımı, sayısal yollarla ticari hesaplamalı elektromanyetik benzetim programı olan CST Microwave Studio kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ön yüzeyi neme duyarlı Kapton HN malzemesi ile kaplı metamalzeme tabanlı sensör yapısı optimize edilerek, ortamın bağıl nem değişimini algılamaya yönelik modellemeler yapılmıştır. Ortamın bağıl nem oranına bağlı olarak Kapton HN filmin etkin karmaşık elektriksel geçirgenlik değeri değişirken, rezonans frekans değişimleri incelenmiş ve yüksek duyarlıklı bir metamalzeme tabanlı bağıl nem sensörü önerilmiştir.

Abstract:
Sensors are devices that are used to prevent accidents and warn risk situations in many different areas such as security, diagnostics, production, product control. Characterization of the dielectric properties of materials and detection of relative humidity has a very important role in medical, pharmaceuticals and extensive chemical industrial applications. However, the production of sensors based on photonic and electromagnetic technology is expensive and difficulty. Metamaterial-based sensors operating at microwave frequencies have been proposed and developed in order to produce new sensor devices that are inexpensive, label-free, non-destructive, reclaimable and easy to use.
In the first sensor design of this thesis, a transparent, thin and flexible polycarbonate substrate was used for the first time. The sensor is made in accordance with WR-229 waveguide that has innovative feratures. A handmade pool made from hard styrofoam foam was produced to drift away of liquid mixtures with the metamaterial sensor surface. Minkowski-like fractal geometric structure was used a second sensor design. It has placed a capillary glass tube along the surface normal of the center of the sensor. Thus, contactless and real-time measurements were made. The sensitivity of two different sensor designs was investigated for ethanol-water, methanol-water and ethanol-methanol mixtures. The complex dielectric constants of the mixtures are predicted by using the resonance frequency and Q factor (or S21 value, dB) data changes.
In the last study, metamaterial based sensor design for relative humidity sensing has been investigated only through the CST Microwave Studio which is commercial computational electrodynamics modelling program. The metamaterial sensor, the front surface of which is coated with moisture sensitive Kapton HN material, was modeled to detect the relative humidity change of the environment.  While the effective complex permitivite value of Kapton film changes depending on the relative humidity of the environment, the frequency changes have been examined and a metamaterial based relative humidity sensor has been proposed