İnterferometrik fononik kristal sıvı sensörleri

Tez çalışmasında suda periyodik katı saçıcılardan oluşan iki boyutlu fononik kristallerin kullanıldığı Mach-Zehnder interferometresine dayalı sıvı yoğunluk algılayıcıları sayısal hesaplama yöntemleriyle tasarlanıp etil alkol (etanol) içindeki metil alkol (metanol) oranını belirleme özellikleri incelenmiştir. Sonlu Elemanlar Yöntemi simülasyonları ile fononik kristal band yapısı, çizgisel kusur band yapıları, Mach-Zehnder interferometresinin akustik özellikleri ve interferometrenin frekans tepkisinin etanol içerisindeki hacimce metanol oranına bağlı değişimi incelenmiştir. Suda örgü sabiti 4.2 mm olan kare örgü düzeninde yerleştirilen 2.0 mm yarıçaplı çelik çubuklardan oluşan fononik kristalde 119.673-263.901 kHz arasında geniş band aralığı gözlenmiştir. Bir sıra çelik çubuğun çıkarılması ile elde edilen boş çizgisel kusur dalga kılavuzunda 187.460-238.964 kHz arasında iletim sağlayan çizgisel kusur bandı görülmüştür. Bu bandın temel dispersiyon özellikleri kılavuz merkezine içi etanol ile dolu iç ve dış yarıçapları sırasıyla 1.0 mm ve 1.4 mm olan düşük yoğunluklu polietilen hortum konulduğunda önemli değişim sergilememektedir ve iletim bandı çalışma frekansı olan 200 kHz'i kapsamaktadır. Çizgisel kılavuzların 45°, 90° ve 135° bükümlerinde az kayıpla iletim gözlenmiştir. Ek olarak, kılavuzların T ve Y dallanmalarının %50-50 demet bölücü olarak davrandığı belirlenmiştir. 90° büküm ve T dallanması temel alınarak oluşturulan interferometrenin çıkışında 200 kHz civarında 3 adet yüksek kalite faktörlü iletim piki ortaya çıkmaktadır. Etanol içinde metanol oranının %0-20 aralığında artırılması ile bu piklerin tepe frekansının 180 Hz, 160 Hz, 140 Hz oranında doğrusal olarak daha düşük değerlere (kırmızıya) kaydığı gözlenmiştir. Ayrıca, sıfırdan farklı metanol oranları için 202 kHz civarında dördüncü bir pik belirmiştir. Kalite faktörü yüz bin mertebesinde olan bu pikin şiddetinin metanol oranı ile arttığı ve pik frekansının 180 Hz oranında kırmızıya kaydığı gözlenmiştir. Bu sonuçlar önerilen Mach-Zehnder interferometresinin etanol içindeki metanol oranını yüksek hassasiyetle algılayabileceğini göstermiştir. Bu sensör ayrıca doğrusal tepki vermektedir, etiketsiz yapıdadır ve ısınma veya geri kazanım süresi gerektirmemektedir. Sensör başka ikili sıvı karışımları için de kalibre edilip kullanılabilir.