Microheater integrated mems-based metal-oxide gas sensors: Design and experimental study
Mikro ısıtıcı entegre mems-tabanlı metal oksit gaz sensörleri: Dizayn ve deneysel çalışmalar
- Tez No: 995646
- Danışmanlar: PROF. DR. OKAN ESENTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Chemistry, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İnsan nüfusundaki ve endüstrileşmedeki hızlı artış atmosferdeki toksik gaz oranını da arttırmıştır. Gaz kromatografisi (GC) veya kütle spektrometresi (MS) gibi güvenilir analitik yöntemler yaygın olarak tercih edilse de pahalı olması, yüksek güç kullanımı, genellikle uzman personel gereksinimi ve gerçek zamanlı izlemeye uygun olmamaları gibi önemli kısıtlayıcı özelliklere sahiptir. Bu bağlamda, mikro-elektro-mekanik sistemler (MEMS) teknolojisinin gaz sensörlerine entegrasyonu, avantajlı bir alternatif olarak devreye girmektedir. Bu tezde, MEMS-tabanlı metal-oksit(MOx) gaz sensörlerinin dizaynı, simülasyonu, karakterizasyonu ve testleri incelenmektedir. Gaz sensörlerine entegre mikro-ısıtıcı (MH) (meander ve fin tipi kombinasyonu şeklinde), termometre (T) ve algılayıcı elektrotlar maske dizayn CAD programı olan KLayout ile aynı düzlem üzerine dizayn edilmiş ve oluşan sıcaklık dağılımı ve güç tüketimi analizi amacıyla MH yapıları COMSOL yazılımında çok-fizikli yöntem ile simüle edilmiştir. Maximum güç tüketimi 200 °C 6W olarak ölçülmüştür. Sensörler geleneksel mikro üretim yöntemleri ile üretilmiştir. İnce filmler, çinko oksit (ZnO), nikel oksit (NiO), indiyum kalay oksit (ITO), titanyum oksit (TiOx) ve vanadyum oksit (VxOy) başarılı bir şekilde sıçratma yöntemi ile aktif alan üzerine kaplanmış ve mikroskop, profilometre, SEM, AFM ve XRD ile karakterize edilmiştir. Kaplanan film kalınlıkları 50nm ile 250nm arasında tespit edilmiştir. ITO ince filminin en pürüzsüz yüzey olduğu, bununla birlikte TiOx ve ZnO ince filmlerinin ise yaklaşık olarak 5.5 nm RMS pürüzlülük değeri ile en kaba yüzeylere sahip olduğu gözlemlenmiştir. ITO haricindeki tüm ince filmlerde nano kristal yapılar tespit edilmiştir. Gaz hassasiyet ölçümleri dinamik akış koşullarında yapılmış, aseton (0.2-2 L/dk), etanol (0.2 -2 L/dk), ve CO2 (1-15 L/dk) gazları için oda sıcaklığı ile 111°C arasında test edilmiştir. Testler sonucunda, yüzey pürüzlüğündeki artışın, tanecik boyutundaki azalmanın, film kalınlığındaki azalmanın ve kristal yapının sensor hassasiyetini arttırdığı sonucuna varılmıştır. Deneyler sonucunda etanol için TiOₓ ve VxOy; CO2 için ZnO ve TiOₓ; aseton için de NiO and TiOₓ en iyi performansı göstermiştir. Maximum sensor cevabı yaklaşık olarak %35 sensor hassasiyeti ile TiOₓ'den 92 °C, 1 L/dk test koşullarında asetonda elde edilmiştir. En iyi tepki ve toparlanma süreleri ise etanol için ZnO ile, CO2 için VxOy ile, aseton için ise NiO ile 50 saniyenin altında elde edilmiştir. Sonuç olarak, ince film materyal kompozisyonunun, gaz akış koşullarının, operasyon sıcaklığının ve yüzey karakteristiklerinin kolektif olarak kritik mahiyette sensor cevabını etkilediği gözlemlenmiş ve bu çalışmanın MEMS-tabanlı MOx gaz sensörlerinin düşük güç tüketimli, gerçek-zamanlı ölçüm yapabilen gaz tespit etme sistemleri olarak kullanılabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
The rapid increase in population and industrialization amplifies the amount of toxic gases in the environment. There are many reliable methods for detecting these gases, such as Mass Spectrometry, which offer high sensitivity and selectivity. However, they are expensive and generally require highly skilled workers to operate, the power consumption is high, and most importantly real-time monitoring is not feasible. Therefore, the integration of micro-electro-mechanical system (MEMS)-based technologies into gas sensors is gaining strong interest. This thesis is structured around the design, simulation, fabrication, characterization, and testing of MEMS-based metal-oxide (MOx) gas sensors. The structures also integrate specially designed microheaters (MHs) with a unique combination of meander- and fin-type MHs. The sensing electrodes and MH were designed in a coplanar structure using the K-Layout to minimize the masks and processing. The multi-physics simulations of MH in COMSOL showed formation of a uniform temperature distribution across the sensor area and the MH structure's low power consumption around 3W at 200 °C. Device fabrication was done by traditional microfabrication methods. Successful sputtering of five different pristine MOx films -zinc oxide (ZnO), nickel oxide (NiO), indium-tin oxide (ITO), titanium oxide(TiOx), and vanadium oxide (VxOy)- onto the active area was confirmed and characterized by microscope, profilometer, SEM, AFM, and XRD. The sputtered thin-film thicknesses range from 50nm to 250nm. While ITO had the smoothest surface, TiOx and ZnO thin films exhibited significantly rougher surfaces with roughness of 5.5nm. All thin films except ITO showed nanocrystalline structures. The gas-sensing performances of the devices were evaluated under dynamic-flow conditions of acetone (0.2 to 2 L/min), ethanol (0.2 to 2 L/min), and CO2 (1 to 15 L/min) in a home-made gas chamber between room temperature and 111 °C. It has been observed that the sensor response increases with concentration and with temperature. We have also observed that increases in surface roughness, decreases in grain size, decreases in film thickness, and increases in crystallinity enhance the sensor response. The results showed that TiOₓ and VxOy showed the best performance in ethanol detection. On the other hand, ZnO and TiOₓ thin films performed the best response on CO2 detection, while NiO and TiOₓ gave the best sensor response on acetone detection. The maximum sensor response was achieved with TiOₓ as ca. 35% at 92 °C, 1 L/min for acetone. The best sensor response and recovery times (below 50 seconds) were observed with ZnO for ethanol, with VxOy for CO2, and with NiO for acetone detections. The results indicate that the thin-film material composition, gas flow conditions, operating temperature, and surface characteristics collectively and critically influence the sensor response. Overall, the study emphasizes the strong suitability of MEMS-based MOx sensors for low-power, real-time gas-detection systems.
Benzer Tezler
- MEMS ile entegre mikro ısıtıcı ve IDE mikro sistemlerin fabrikasyonu ve nano kompozit yarı iletken gaz sensör uygulaması
Fabrication of integrated micro heater and ide micro systems with MEMS and application of nano composite semiconductor GAS sensor
HALİME İLBEYİİLİNGİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERNA MOROVA
DOÇ. DR. CİHAT TAŞALTIN
- Design of a microheater to improve the sensitivity of electrochemical nucleic acid biosensors
Elektrokimyasal nükleik asit biyosensörlerin hassasiyetini artırmak için bir mikro ısıtıcı tasarımı
İREMNUR AKÇAKOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATMA DOĞAN GÜZEL
- Kimyasal harp maddeleri simülantları ve zehirli endüstriyel malzemelerin algılanmasına yönelik metal oksit gaz sensörlerin geliştirilmesi
Development and design of metal oxide gas sensors for detecting chemical warfare agent simulants and toxic industrial chemicals
ŞULE ÖZDİLEK
Doktora
Türkçe
2026
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAFER ZİYA ÖZTÜRK
- Mikrokanallı cihazlarda damlacık oluşturmak için iki-fazlı akış çalışma parametrelerinin optimizasyonu
Optimization of two-phase flow operating parameters for making droplets in microchannel devices
BAHAR ÖZDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELİS ÖNEL
- Optimization of flow conditions and investigation of crystallization kinetics from a supersaturated solution in a two-phase microfluidic system
İki-fazlı bir mikro-akışkan sistemde akış koşullarının pptimizasyonu ve aşırı doygun bir çözeltide kristalleşme kinetiğinin incelenmesi
TIJANI AHMED AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELİS ÖNEL KAYRAN