Piroelektrik tabanlı malzemelerin gaz sensörü uygulamaları - Varan, Ahmet Hamdi (Gebze Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2025)
Bu tez çalışmasında piroelektrik Lityum Tantalat (LiTaO3) ince filminin; 1,1,1,2-Tetrafloroetan (C2H2F4) ve 1,1,1,2,3,3,3-Heptafloropropan (C3F7H) gibi bileşik (soğutucu) gazların dağılımlı olmayan kızılötesi absorpsiyon spektroskopisi (Non-Dispersive Infrared Spectroscopy-NDIR) ile gaz sensörü olarak kullanılması ve gaz konsantrasyonlarının ölçümü üzerinde çalışılmıştır. Mikrofabrikasyon metotları kullanılarak ince film formunda üretilen LiTaO3 piroelektrik sensörün yüzeyleri, yüksek kalitede ve ince iletken olarak hassas elektrotlar ile kaplanarak sandviç yapıda sensör haline getirilmiştir. LiTaO3 piroelektrik yapısı ince film formunda üretilirken piroelektrik etkinin arttırılması adına polarlama işlemine tabi tutulmuştur. Geliştirilen sensörlerin kızılötesi absorpsiyonlarını arttırmak adına sensörün üst elektrotunda yaklaşık ~10-15 nm kalınlığında ZnO ve TiO2 olmak üzere iki farklı metal oksit yüzey ince tabaka şeklinde kaplanmıştır. Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) ve Atomik Kuvvet Mikroskopu (AFM) kullanılarak elde edilen aygıt ve kaplamaların yapısal özellikleri incelenmiştir. Üretilen LiTaO3 yapısı, mekanik gaz hücresi tasarımı ve elektronik devre sistematiği ile gaz dedektörü haline getirilmiş ve C2H2F4 ve C3F7H moleküllerinin transmisyon spektrumu olan orta kızılötesi bantta yayınım yapan ışık kaynaklarına maruz bırakılarak çıkış sinyalleri elde edilmiştir. Sensörün taşınabilir bir gaz dedektörü haline getirilmesi sürecinde farklı optik filtreler ve elektronik sinyal ölçüm metotları kullanılarak ölçüm sonuçlarının doğruluğu geliştirilmiştir. Dedektör çıkış sinyalleri, kalibre edilmiş ticari sensörler ile konsantrasyonları bilinen endüstriyel gazların konsantrasyonlarının ölçümü için ticari sensörler ile karşılaştırılarak sensör performansları analiz edilmiştir. Bu çalışmada geliştirilen gaz sensörleri, "Kara Taşıtlarının Yangından Korunma Düzeylerinin Değerlendirilmesine İlişkin Prosedürleri" olarak bilinen "AEP-4317 NATO Standardı" kapsamında savunma sanayi uygulamalarına yönelik sistemlerin söndürücü konsantrasyon ölçümleri gerçekleştirilerek elde edilen sonuçların tutarlılığı değerlendirilmiştir. Bu çalışmada tasarlanan ve hazırlanan kızılötesi gaz sensörlerinin, son derece tehlikeli ve patlayıcı gazların temassız, hassas ve seçici tespiti için kullanılabileceği kanıtlanmıştır.

In this thesis study, the use of a pyroelectric Lithium Tantalate (LiTaO?) thin film as a gas sensor for measuring the concentrations of compound (refrigerant) gases such as 1,1,1,2-Tetrafluoroethane (C?H?F?) and 1,1,1,2,3,3,3-Heptafluoropropane (C?F?H) using Non-Dispersive Infrared Spectroscopy (NDIR) has been investigated. Using microfabrication methods, the surface of the LiTaO? pyroelectric sensor produced in thin film form was coated with high-quality and fine conductive electrodes to create a sandwich-structured sensor. In order to enhance the pyroelectric effect, the LiTaO? pyroelectric structure was subjected to a polarization process during its production in thin film form. To increase the infrared absorption of the developed sensors, two different metal oxide thin films, ZnO and TiO?, with a thickness of approximately 10–15 nm, were coated on the top electrode of the sensor. The structural properties of the fabricated devices and coatings were examined using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). The produced LiTaO? structure was transformed into a gas detector through a mechanical gas cell design and an electronic circuit system. It was then exposed to light sources emitting in the mid-infrared band, where the transmission spectrum of C?H?F? and C?F?H molecules is located, and output signals were obtained. During the process of making the sensor a portable gas detector, different optical filters and electronic signal measurement methods were used to improve the accuracy of the measurement results. The output signals of the detector were compared with those from calibrated commercial sensors using industrial gases of known concentrations, and the performance of the sensor was analyzed. The gas sensors developed in this study were used to perform extinguishing concentration measurements for systems designed for defense industry applications within the scope of the "Procedures for the Evaluation of Fire Protection Levels of Land Vehicles," also known as the "AEP-4317 NATO Standard" and the consistency of the results obtained was evaluated. It has been demonstrated that the infrared gas sensors designed and developed in this study can be used for the non-contact, sensitive, and selective detection of highly dangerous and explosive gases.
Gas sensor applications of pyroelectric based materials
Keywords: Fizik ve Fizik Mühendisliği; Physics and Physics Engineering