Biyolojik savaş ajanlarının tespit uygulamaları için Lorentz kuvveti temelli manyetik alan sensörünün tasarımı, analizi, simülasyon ve optimizasyonu

İnsanlık tarihinde bakteri ve virüslerin biyolojik silah niteliğinde kullanımıyla gerçekleştirilen endişe verici terörist saldırılar küresel kaygılara yol açmış ve hükümetlerin önleyici eylemler almak için bu bakteri ve virüs gibi biyolojik savaş unsurlarını tanımlama, sınıflandırma ve tespit çalışmaları yürütmesini sağlamıştır. Bu nedenle, bu unsurların hızlı tespiti ve kesin olarak tanımlanması, biyo-savunma alanında küresel temel stratejiler olarak tanımlanmıştır. Biyolojik savaş unsurlarının algılanması amacıyla, biyolojik moleküllerin fiziksel olarak yakalanması ve bunların ölçülebilir değerlere dönüştürülmesini sağlayabilecek ve böylece tespitini gerçekleştirebilecek hassas ve optimize ekipman ve sensörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla, hızlı, gerçek zamanlı, uygun maliyetli ve etiketsiz biyomoleküler tanıma yöntemlerine sahip MEMS temelli biyosensörler biyolojik savunma için ümit vaat eden erken uyarı sistemleri olarak ortaya çıkmış ve kütle algılama yoluyla biyolojik parçacıkların tespiti çalışmaları için tercih haline gelmişleridir. Bu bağlamda, MEMS'in disiplinler arası niteliğinden yararlanılarak, Lorentz kuvveti çalışma prensibi, MEMS manyetik alan sensörleri ve BioMEMS mikro-algılayıcı sensörleri gibi çeşitli alanların birleştirilmesi ve sinerjize edilmesi yoluyla biyo-parçacıkların algılaması mümkün kılınmaktadır. Yapılan literatür taramalarında, biyolojik parçacıkların tespitine yönelik Lorentz kuvveti prensibine dayalı olarak salınan mikrokantilever biyosensör çalışmalarının çok az sayıda olduğu saptanmıştır. Bu çalışmaların odak noktalarının konu üzerine simülasyonlardan veya deneysel gösterimlerden oluştuğu ve birkaçının da sensor hassasiyetini artırmak üzere yoğunlaştığı görülmüştür. Bu doğrultuda, sistemin çalışmasını etkileyen sistem parametrelerinin belirlenmesi, bu parametrelerin optimizasyonu ve adım adım ilerleyen bir tasarım algoritmasının oluşturulması üzerine bir çalışma gereksiniminin olduğu belirlenmiş olup konuyla ilgili ihtiyaçları karşılamak amacıyla Lorentz kuvveti tabanlı statik modda çalışan biyolojik parçacıkları taşıyabilecek tasarıma sahip bir MEMS manyetik alan sensörünün tasarımı, simülasyonu ve optimizasyonunu amaçlayan bir araştırma yürütülmüştür. Bu çalışmada sistem bir bütün olarak ele alınmış ve Lorentz kuvvetinin oluşmasında etkili olan tasarım ve süreç parametreleri mıknatısa ve mikrokantilevere bağlı olarak belirlenip sınıflandırılmıştır. Bu kapsamda Lorentz kuvvetini etkileyen mıknatısa bağlı parametreler mıknatısın tipi, derecesi, şekli ve boyutları ile mıknatısın x, y ve z eksenlerinde mikrokantilever biyosensöre göre konumlandırılması olarak tanımlanmıştır. Diğer tarafta, mikrokantilever ile ilgili Lorentz kuvveti girdi parametreleri, mikrokantileverin, biyoparçacıkları taşıyacak alanın ve iletken hattın boyutları, malzemesi, tasarımı ve iletken yola beslenecek akım miktarı olarak birbirinden ayrılmıştır. Manyetik alan sensörünü ve mıknatısı içine hapsedecek vakum bölgesi bir diğer parametre olarak tanımlanmıştır. Lorentz kuvveti tabanlı manyetik alan sensörünü simüle ve optimize etmek amacıyla Ansoft Maxwell® Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) yazılım aracı kullanılmış olup, ilgili sistem için bir deney tasarımı süreci modellenmiş ve bir kaç parametrenin sabitlenmesi ve sadece bir parametrenin bir seferde değiştirilmesini takip eden bir optimizasyon algoritması geliştirilmiştir. Değişkenliğe uğrayan parametrenin Lorentz kuvvetine olan etkisi ilişkilendirilmiş olup, maksimum Lorentz kuvveti sağlayan değer ilgili parametre için en ideal durum olarak seçilmiş ve müteakip parametreler aynı şekilde araştırılarak tam bir optimize edilmiş parametreler kümesi elde edilene kadar tekrarlanmıştır. Optimize edilecek parametreler, mıknatısın şekli ve boyutsal oranları, mıknatısın mikrokantilevere göre x, y ve z doğrultularında konumlandırılması ile portlara beslenecek farklı dc akım varyasyonları olarak seçilmiştir. Bu süreçte mikrokantileverin, biyolojik parçacıkları taşıyacak alanın ve iletken yolların boyutları, tasarımları ve malzemeleri sabitlenerek diğer parametrelerin Lorentz kuvvetine olan etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Buna ek olarak, mikrokantileveri ve mıknatısı içine alan vakum kutusunun boyutları bu ikisine göre belli yüzdeyle otomatik olarak ayarlanacak şekilde konfigüre edilmiş ve bu vakum alanının optimizasyonu gerçekleştirilmemiştir. Elde edilen optimizasyon sonuçları sonucunda Lorentz kuvvetinin 2,65 oranında arttırıldığı bulunmuştur. 0-50 mA aralığında manyetik alan sensörüne verilen akımın hacimsel olarak sensörde oluşturacağı ısınma dağılımını araştırmak için Sonlu Elemanlar Analiz yöntemi olan COMSOL Multiphysics®'de bir joule ısınma analizi yapılmıştır. Sensörün yüzeyinde oluşan sıcaklık ve beslenen akım arasındaki ilişki simülasyon yöntemiyle analiz edilmiş, akım kaynaklı sıcaklığın eksponensiyel oranda arttığı, dolayısıyla sensörün hatalı çalışmasına neden olmayacak akım aralığı 0-15 mA olarak saptanmıştır. Lorentz kuvveti ile manyetik alan sensörünün mekanik olarak esnemesi arasındaki ilişki, COMSOL Multiphysics®'in yapısal mekanik modülünde simüle edilmiş ve ilgili ilişkiden doğrusal olarak artan bir eğilim tespit edilmiştir. Belirlenen parametreler ile Lorentz kuvveti arasındaki ilişkilerin kapsamlı incelenmesi, Joule ısınma ve esneme analizi sonuçları da dahil olmak üzere, elde edilen optimize edilmiş parametre değerleri kullanılarak yeni tasarımların oluşturulması için bir tasarım algoritması oluşturulmuştur. Bu doğrultuda hazırlanan prosedüre göre ilk etapta farklı orta gövde uzunluk ve kalınlıklarına sahip beş farklı tasarım modellenmiş ve bunların Lorentz kuvveti üzerindeki etkileri incelenmiştir. İlgili uzatma ve genişletme eylemlerinin Lorentz kuvvetini pek etkilemediği bulunmuş fakat bu genişletilmiş iletken yollara tasarımların üzerinde yapılan joule ısınma analizleri sonucunda bunların sensor yüzeyindeki sıcaklıkları düşürdüğü tespit edilmiştir. Buna ek olarak akımın geçmiş olduğu yolların yükseklikleri 1 µm, 3 µm ve 5 µm olarak değiştirilerek simüle edilmiş ve Lorentz kuvvete hiçbir değişiklik sağlamadığı bulunurken, joule ısınma analizi sonucunda ilgili yüksekliğin düşürülmesinin mikrokantilever üzerindeki akım kaynaklı ısınma dağılımını kötüleştirildiği görülmüştür. MEMS manyetik alan sensörünün pratikte gerçekleştirilmesi için kapsamlı bir MEMS üretim prosedürü talimatı yazılmıştır. Bu çalışmanın uygulanması durumunda çalışmada optimize edilmiş olan NdFe35 tipi blok mıknatısın boyutlarının tedarik edilip edilemeyeceği konusunda yerel bir mıknatıs üreticisi ile temas kurulmuş ve ilgili mıknatısın üretilebileceği bilgisi alınmıştır. Tasarlanan kavramsal konunun uygulamaya aktarılması kapsamında biyolojik savaş unsurları olarak tanımlanan E. Coli bakterileri, variola virüsü, Influenza A, B ve C virüsleri ele alınarak modellenmiş ve literatürde bulunan veriler temelinde bu biyolojik parçacıkların tahmini ağırlıkları sayısal olarak hesaplanmıştır. Farklı sayılardaki biyo-parçacıkların mikrokantileverin ilgili altın yüzeyine yapışmasıyla mikrokantilever üzerinde oluşturacağı kuvvet ve dolayısıyla esneme COMSOL Multiphysics® simülasyon programında simüle edilmiş ve mikro ve nano mertebelerindeki esneme değerleri bulunmuştur. Daha sonra, Lorentz kuvvete dayalı manyetik alan sensörüyle bu parçacıkların optik interferometre yöntemiyle nasıl algılanabilecekleri detaylı olarak sunulmuştur. İlgili E. coli bakterilerinin sayısının saptanmasına karşılık gelen akım besleme değerleri simülasyon sonuçlarından alınan verilerle modellenmiş ve akımın mikroamper mertebelerinde olduğu belirlenmiştir. Buna ek olarak, ilgili biyolojik unsurların algılanmasında kullanılabilecek optik yöntemlerin taşınabilir olmaması ve pahalı ekipmanlar gerektirmesi sebebiyle tasarlanan ilgili sensörde değişiklikler yapılarak piezorezistif algılama metodu uygulanabileceği vurgulanmış; böylece kompakt ve hemen kullanıma hazır bir Lorentz kuvveti tabanlı mikrokantilever biyosensörünün biyolojik silah niteliğinde kullanılan virüs ve bakterileri tespit etmede saha uygulamalarında kullanılabilir olacağı gösterilmiştir.