Bu çalışma, gaz bileşimini ultrasonik dalgaların yayılma süresi ve genliğindeki değişimlerden belirlemeyi amaçlayan kompakt bir CMUT gaz algılama platformu geliştirmiştir. Sistem, birbirine bakan bir verici ve bir alıcı kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik dönüştürücüden oluşmaktadır. Verici CMUT’un oluşturduğu kısa ultrasonik sinyal, 6 mm uzunluğundaki kontrollü gaz yolundan geçerek alıcı CMUT’a ulaşmaktadır. Gaz bileşimi değiştiğinde sesin yayılma hızı ve akustik zayıflama da değiştiği için alınan sinyalin uçuş süresi ile frekans spektrumundaki genliği değişmektedir.

Önerilen platformun temel yeniliği, daha önce işlev üreteci, yüksek gerilim kaynağı, geniş bant güç yükselteci, osiloskop ve bağımsız ön yükselteç gerektiren laboratuvar düzeninin önemli bölümlerini tek bir taşınabilir elektronik sistemde birleştirmesidir. Sistem; 5 V kaynaktan yaklaşık 100 V üreten bir yüksek gerilim dönüştürücü, GaN transistörlü geniş bant verici yükselteci, transimpedans alıcı devresi ve eş zamanlı dalga üretimi ile edinim sağlayan Red Pitaya gömülü platformunu içermektedir.

Kompakt prototip yaklaşık 250 × 150 × 50 mm boyutunda, 1,9 litre hacminde ve 1 kg kütlesindedir. Önceki laboratuvar düzeni yaklaşık 63 litre ve 30 kg olduğundan hacim yaklaşık 33 kat, kütle ise yaklaşık 30 kat azaltılmıştır. Verici-alıcı ön uç devresinin güç tüketimi 1 W’ın altında, Red Pitaya dâhil toplam sistem tüketimi yaklaşık 11 W’tır. Araştırmacıların enerji kapasitesi üzerinden yaptığı teorik hesaba göre 5 V ve 10 Ah’lik bir taşınabilir batarya yaklaşık 4,5 saat çalışma sağlayabilir. Bu süre doğrudan uzun süreli batarya testiyle değil, yaklaşık 50 Wh enerji kapasitesinin güç tüketimine bölünmesiyle hesaplanmıştır.

Deneylerde H₂, CO₂, CH₄ ve He gazları azotla karıştırılmış; her gaz için %4, %3, %2 ve %1 derişim basamakları uygulanmıştır. Ölçümler 1,5 MHz’de ve toplam 100 cm³/dakika gaz akışında gerçekleştirilmiştir. Uçuş süresi değişimi ile spektrum genliği değişimi birlikte değerlendirildiğinde dört gazın ΔA–ΔToF düzleminde farklı doğrultularda ilerlediği görülmüştür. Bu bulgu, sistemin kontrollü koşullarda gaz türü ve derişim değişimlerine duyarlı olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte çalışma bir sınıflandırma algoritması, algılama sınırı, belirsizlik hesabı veya bağımsız kör test sunmamaktadır.

Sistem gazla tepkimeye giren özel bir kimyasal algılama kaplamasına dayanmamaktadır. Bunun yerine gazın ses hızı ve zayıflama gibi fiziksel özelliklerini ölçmektedir. Bu yaklaşım, belirli uygulamalarda kaplama yaşlanması veya kimyasal seçicilik sorunlarını azaltma potansiyeli taşımaktadır. Ancak çalışmada kimyasal sensörlerle doğrudan uzun dönem karşılaştırma yapılmadığından daha düşük sürüklenme, daha uzun ömür veya daha yüksek güvenilirlik henüz deneysel olarak kanıtlanmış değildir.

Türkiye açısından: Sistem; Türkiye’de hidrojen üretim ve depolama altyapıları, doğal gaz tesisleri, biyogaz uygulamaları, kimya endüstrisi, laboratuvar gaz hatları, enerji depolama sistemleri ve helyum kullanılan teknik tesislerde taşınabilir kaçak ve karışım izleme araştırmalarına temel oluşturabilir. Türkiye’de uygulama için yerli gaz bileşimleriyle çok noktalı kalibrasyon, sıcaklık ve nem telafisi, hava içindeki gazların sınanması, daha düşük derişim deneyleri, elektromanyetik uyumluluk, titreşim ve yaşlandırma testleri, kapalı alan ve açık saha denemeleri ile patlayıcı ortam güvenlik değerlendirmeleri yapılmalıdır. Çalışmadan ticari kaçak dedektörü yeterliliği, yasal ölçüm doğruluğu, patlayıcı ortamlarda güvenli kullanım, %0,01 algılama sınırı veya bilinmeyen çoklu gazların otomatik olarak tanımlanabildiği sonucu çıkarılamaz.

CMUT nedir ve gazı nasıl ölçmektedir?

CMUT, kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik dönüştürücü anlamına gelir. Her hücre, sabit bir alt elektrot üzerinde bulunan çok ince ve esnek bir zar ile bu iki yapı arasındaki boşluktan meydana gelir. Zar ve alt elektrot birlikte elektriksel bir kapasitör oluşturur.

Çalışmanın 3. sayfasındaki Şekil 1, CMUT’un gönderme ve alma mekanizmasını kesit görünümüyle göstermektedir. Yapıdaki temel katmanlar şunlardır:

• Alüminyum üst elektrot.
• Silisyum nitrür zar.
• Vakum boşluğu.
• İletken polikristal silisyum alt elektrot.
• Silisyum dioksit yalıtım tabakası.
• Silisyum taşıyıcı altlık.

Gönderme sırasında CMUT’a sabit bir doğru gerilim ile zamana bağlı alternatif gerilim birlikte uygulanır. Elektrostatik kuvvet, ince zarı titreştirir ve çevredeki gaz ortamına ultrasonik dalga yayılır. Alma sırasında gelen akustik basınç zarı hareket ettirir, hücrenin kapasitansı değişir ve bu değişim elektriksel bir akım olarak ölçülür.

CMUT’un doğru gerilimle kutuplanması, gönderme ve alma duyarlılığını artırır. Ancak gerilim, zarın alt elektrota kararsız biçimde çekildiği çökme veya pull-in sınırına fazla yaklaştırılırsa doğrusal çalışma aralığı ve güvenlik payı azalır. Çalışmada verici ve alıcının farklı gerilimlerde çalıştırılmasının nedeni budur.

Kullanılan CMUT dizilerinin yapısı

Sensör başlığında yüz yüze yerleştirilmiş iki özdeş dairesel CMUT dizisi bulunmaktadır. Her dizide paralel bağlanmış 1.941 kare hücre yer almaktadır. Hücrelerin yanal boyutu 32 µm, dairesel etkin açıklığın çapı 7 mm ve etkin yüzey oranı %41’dir.

Çalışmanın 3. sayfasındaki Şekil 2(a), üst metal bağlantılarıyla birbirine bağlanmış kare CMUT hücrelerinin yakın plan görüntüsünü; Şekil 2(b) ise çevresinde elektrik bağlantı pedleri bulunan 7 mm çapındaki dairesel diziyi göstermektedir.

Tablo 1’de hücre alanının yazımı “32² µm²” anlamına gelecek biçimde dizilmiş, ancak metin açıkça hücre kenar uzunluğunu 32 µm olarak vermiştir. Bu nedenle hücre boyutunun 32 µm × 32 µm olduğu anlaşılmaktadır.

Gaz bileşimi neden uçuş süresini ve genliği değiştirmektedir?

Verici CMUT’un oluşturduğu ultrasonik dalga, alıcıya ulaşıncaya kadar gaz ortamında ilerler. Gazın bileşimi değiştiğinde sesin yayılma hızı da değişebilir. Bu değişim, sinyalin 6 mm’lik yolu tamamlama süresini etkiler. Çalışmada bu büyüklük uçuş süresi, yani ToF olarak adlandırılmıştır.

Gazın akustik zayıflaması da alınan sinyalin genliğini etkiler. Bu nedenle araştırmacılar tek bir ölçüme dayanmak yerine iki akustik özelliği birlikte kullanmıştır:

• ΔToF: Ölçülen uçuş süresinin saf azot referansına göre değişimi.
• ΔA: Seçilen frekanstaki FFT genliğinin saf azot referansına göre değişimi.

İki özelliğin birlikte kullanılması, aynı uçuş süresi değişimine yakın tepki veren gazların genlik davranışıyla ayrılabilmesi veya bunun tersinin yapılabilmesi için ek bilgi sağlamaktadır.

Önceki laboratuvar düzeninin sorunu neydi?

Çalışmanın 4. sayfasındaki Şekil 3, önceki laboratuvar ölçüm zincirini göstermektedir. Bu düzen şunları içermektedir:

• İşlev veya keyfî dalga üreteci.
• Harici geniş bant güç yükselteci.
• Birden fazla yüksek gerilim güç kaynağı.
• Ayrı verici ve alıcı kutuplama ağları.
• Alıcı ön yükselteci.
• Osiloskop.
• Çok sayıda güç, sinyal ve toprak bağlantısı.

Bu yapı araştırma laboratuvarında esneklik sağlasa da yaklaşık 63 litre hacme ve 30 kg kütleye ulaşmaktadır. Uzun kablolar ve ayrı cihazların toprak bağlantıları, zayıf havadan ultrason sinyalinde gürültü ve empedans uyumsuzluğu oluşturabilir. Ölçümlerin farklı cihazlar arasında eş zamanlanması ve sonuçların saha ortamında elde edilmesi de zorlaşmaktadır.

Kompakt platformun genel mimarisi

Çalışmanın 4. sayfasındaki Şekil 4, laboratuvar cihazlarının yerini alan kompakt ölçüm zincirini göstermektedir. Sistem dört ana bölümden oluşmaktadır:

1. Yüz yüze yerleştirilmiş CMUT verici ve alıcı çifti.
2. Verici ve alıcı yükselteçlerini, yüksek gerilim üretimini ve kutuplamayı içeren özel elektronik kart.
3. Dalga üretimi, eş zamanlama ve sinyal edinimi sağlayan Red Pitaya kartı.
4. USB veya taşınabilir batarya üzerinden sağlanan 5 V güç kaynağı.

Red Pitaya tarafından oluşturulan düşük gerilimli dalga, özel verici devresinde yükseltilerek CMUT’a uygulanmaktadır. Alıcı CMUT’tan gelen çok küçük akım, transimpedans yükselteciyle gerilime dönüştürülmekte ve Red Pitaya’nın ADC’siyle sayısallaştırılmaktadır. Verici ve alıcı zamanlamasının aynı sistemden yönetilmesi, uçuş süresi hesabının tekrarlanabilirliğini artırmaktadır.

GaN tabanlı verici yükselteci neden kullanılmıştır?

CMUT vericinin geniş bir frekans aralığında düzgün sinüzoidal darbelerle çalıştırılması için yüksek gerilimli ve geniş bantlı bir yükselteç gerekmektedir. Geleneksel silisyum güç transistörlerinin yüksek parasitik kapasitansı ve daha büyük iletim direnci, küçük ve yüksek frekanslı bir devrede sınırlayıcı olabilir.

Çalışmada galyum nitrür, yani GaN transistörü şu özellikleri nedeniyle seçilmiştir:

• Düşük iletim direnci.
• Düşük Miller kapasitansı.
• Düşük kapı yükü ve düşük kapı sürme gerilimi.
• Yüksek frekans ve yüksek gerilim uyumluluğu.
• Gövde diyodu bulunmaması nedeniyle geri toparlanma yükünün azalması.

Bu çalışmanın dikkat çekici yönü, GaN elemanının yaygın ultrasonik kare dalga anahtarlayıcısı olarak değil, kontrollü sinüzoidal işaret üreten darbeli bir doğrusal yükselteç olarak kullanılmasıdır. Transistör yalnızca ultrasonik darbe sırasında doğrusal bölgede çalıştırılmakta, darbeler arasında kapatılmaktadır. Böylece doğrusal çalışmanın oluşturabileceği ısınma ve statik güç tüketimi azaltılmaktadır.

Yaklaşık 131 µs’lik etkin pencere ve 16,5 ms’lik darbe aralığı kullanıldığında çalışma çevrimi yaklaşık %0,8’dir. Araştırmacılar bu kısa çalışma çevrimi sayesinde prototipte özel bir soğutucuya gerek duymamıştır. Bununla birlikte sürekli veya daha yüksek tekrarlama hızlı kullanımda termal davranış ayrıca doğrulanmalıdır.

Verici dalga biçimi neden yumuşatılmıştır?

Standart ultrasonik göndericiler sıklıkla ani kenarlı kare gerilim darbeleri kullanır. Bu çalışma ise CMUT’u 8 MHz civarındaki rezonansının altında, 0,5–5 MHz geniş bant bölgesinde çalıştırmaktadır. Ani kenarlı bir darbe, istenmeyen rezonans ve geçici titreşimleri uyarabilir.

Bu nedenle gönderilen sinüzoidal darbe Hanning penceresiyle yumuşatılmıştır. Darbenin başlangıcı ve sonu ani değildir. Ek A’daki Şekil A3, farklı kontrol gerilimlerinde yükseltilmiş dalga biçimlerini göstermektedir:

• 165 mV düzeyinde devre kesime yakın çalışmakta ve çıkış bozulmaktadır.
• 215 mV düzeyinde devre ray sınırlamasına yaklaşmakta ve kırpılma oluşmaktadır.
• 190 mV düzeyinde daha doğrusal ve daha az bozulmuş bir çıkış elde edilmektedir.

Ek A, girişten çıkışa toplam kazancı yaklaşık 60 dB olarak bildirmektedir. Bu kazanca işlemsel yükseltecin yaklaşık 20 dB’lik katkısı da dâhildir.

Frekansa bağlı yük etkisi

CMUT elektriksel olarak kapasitif bir yük oluşturur. Ek A’daki Şekil A4, açık devre ile 3,1 nF, 0,95 nF ve 0,15 nF kapasiteli farklı CMUT yüklerinin verici kazancını önemli ölçüde değiştirdiğini göstermektedir. Aynı giriş genliği kullanıldığında frekans yükseldikçe çıkışın azalması mümkündür.

Şekil A5’te araştırmacılar, giriş genliğini frekansa göre ayarlayarak bu düşüşü büyük ölçüde düzleştirmiştir. Sabit sürüşte frekansla belirgin biçimde azalan kazanç, frekansa göre ayarlanmış sürüşte yaklaşık sabit kalmıştır. Bu özellik gelecekte çok frekanslı gaz ölçümü için önemlidir; ancak gaz deneylerinde bu çok frekanslı yöntem uygulanmamıştır.

Alıcı transimpedans yükselteci

Alıcı CMUT, gelen akustik dalgayı çok küçük bir elektrik akımına dönüştürmektedir. Çalışmada bu akımı ölçülebilir gerilime çevirmek için transimpedans yükselteci kullanılmıştır.

Çalışmanın 6. sayfasındaki Şekil 6, alıcı devresini göstermektedir. Seçilen temel geri besleme bileşenleri:

• 1 MΩ geri besleme direnci.
• 0,2 pF nominal geri besleme kapasitörü.
• PCB parazitleri dâhil yaklaşık 0,4 pF etkin geri besleme kapasitesi.

22 kΩ, 56 kΩ, 110 kΩ ve 1 MΩ dirençler karşılaştırılmıştır. Büyük geri besleme direnci düşük megahertz bölgesinde daha yüksek sinyal kazancı sağlarken kullanılabilir bant genişliğini daraltmaktadır. Küçük dirençler daha geniş bant sağlamakta fakat alınan sinyalin genliğini düşürmektedir.

Gaz deneyinin gerçekleştirildiği yaklaşık 1,5 MHz için 1 MΩ direnç, kazanç ve bant genişliği arasında uygun denge olarak seçilmiştir. Çok frekanslı bir uygulamada anahtarlanabilir geri besleme dirençleri veya ek kazanç katları gerekebilir.

5 V’tan yaklaşık 100 V nasıl üretilmiştir?

CMUT’ların kutuplanması için yaklaşık 70–90 V gerektiği hâlde taşınabilir sistem yalnızca 5 V USB kaynağıyla beslenmektedir. Bu nedenle kart üzerinde ayrık elemanlardan oluşan yükseltici bir DC-DC dönüştürücü geliştirilmiştir.

Çalışmanın 6. sayfasındaki Şekil 7’de gösterilen dönüştürücü:

• Bobin.
• Alçak taraf anahtarlama transistörü.
• Doğrultucu diyot.
• Paralel çıkış kapasitörleri.
• Gerilim sınırlayıcı Zener diyot.
• Kendinden salınımlı PNP/NPN kontrol katı

bileşenlerinden oluşmaktadır. Yaklaşık 100 V çıkışta gereken akım yalnızca 2 mA düzeyindedir.

Dönüştürücü yaklaşık 16 kHz’de anahtarlanmaktadır. Bu anahtarlama ve harmonikleri, zayıf alıcı sinyaline karışabilecek gürültü üretebilir. Ek B’deki Şekil B1, anahtarlama düğümünde 16 kHz temel bileşen ile yüksek harmonikleri göstermektedir.

Anahtarlama gürültüsü nasıl azaltılmıştır?

Verici darbesi başlatıldığında yükseltici dönüştürücü geçici olarak durdurulmaktadır. Ek B’deki Şekil B2, dönüştürücü anahtarlamasının verici ve alıcı ölçüm penceresi boyunca kaybolduğunu, ölçüm tamamlandıktan sonra yeniden başladığını göstermektedir.

Dönüştürücü kapalıyken CMUT’ların yüksek gerilimi çıkış kapasitörlerinde depolanmış enerjiden sağlanır. Darbe sonrasında gerilim düşer ve dönüştürücü kapasitörleri tekrar şarj eder. Şekil B3’e göre yüksek gerilim hattının yaklaşık 100 V’a geri dönmesi için yaklaşık 16,5 ms gerekmektedir. Bu nedenle sistemin en kısa darbe aralığı 16,5 ms olarak seçilmiştir.

Bu çözüm düşük gürültü sağlamaktadır fakat edinim hızını sınırlamaktadır. Daha yüksek akımlı veya daha verimli bir dönüştürücü, yeniden şarj süresini azaltabilir.

Red Pitaya tabanlı gömülü ölçüm sistemi

Sistemin dijital çekirdeği STEMlab 125-14 Gen 2 Red Pitaya kartıdır. Kartın DAC ve ADC birimleri 125 MS/s’ye kadar örnekleme yapabilmektedir. Bu hız, 0,5–5 MHz dalga biçimlerinin üretilmesi ve alınması için yeterli zaman çözünürlüğü sağlamaktadır.

Çalışmanın 6. sayfasındaki Şekil 8, donanım ve yazılım akışını göstermektedir. Temel görevler şunlardır:

• Sinüzoidal ve Hanning pencereli verici darbesinin bellekte hazırlanması.
• Dijital doğrudan sentez yoluyla DAC çıkışında üretilmesi.
• ADC ediniminin gönderme darbesiyle eş zamanlanması.
• Gerektiğinde birden fazla edinimin kart üzerinde ortalanması.
• Ölçüm verisi ve ayar bilgilerinin UDP üzerinden ana bilgisayara gönderilmesi.
• Python 3 yazılımıyla sinyal işleme ve gerçek zamanlı görselleştirme.

UDP, düşük protokol yükü ve kısa gecikme nedeniyle seçilmiştir. Her veri çerçevesine ölçüm indeksi ve zaman bilgisi eklenerek sürekli ölçümlerde izlenebilirlik sağlanmıştır.

Sinyal işleme adımları

Alınan sinyalin analizi şu sırayla yapılmıştır:

1. Önceden tanımlanmış zaman penceresinde ilk alınan ultrasonik sinyalin bulunması.
2. Alınan sinyal ile programlanan gönderme dalgası arasında çapraz korelasyon yapılması.
3. Korelasyon dışındaki frekans bileşenlerinin ve gürültünün azaltılması.
4. Hilbert dönüşümüyle sinyal zarfının çıkarılması.
5. Zarfın tepe konumundan uçuş süresinin belirlenmesi.
6. Geçerli sinyal bölgesine FFT uygulanması.
7. Seçilen uyarma frekansındaki spektrum genliğinin çıkarılması.
8. Sonucun saf azot referansına göre fark olarak hesaplanması.

Uçuş süresi değişimi:

\[ \Delta \mathrm{ToF} = \mathrm{ToF}(n) - \mathrm{ToF}(N_2) \]

Spektrum genliği değişimi:

\[ \Delta A = H_{\mathrm{FFT}}(n) - H_{\mathrm{FFT}}(N_2) \]

Burada n güncel gaz ölçümünü, \(N_2\) ise saf azot referansını ifade etmektedir. ΔA mutlak bir soğurma katsayısı değildir; seçilen frekanstaki alınan FFT genliğinin azot ölçümüne göre farkıdır.

Gaz akışı deneyi

Gaz karışımları Brooks 5850S kütlesel akış kontrolörleriyle hazırlanmıştır. Her hedef gaz, azotla ikili karışım hâlinde sensöre verilmiştir.

Gaz koşulları arasında saf azotla temizleme ve referans ölçümü yapılmıştır. Bu işlem, önceki gazdan kalan bileşenlerin etkisini azaltmak ve yavaş sıcaklık veya elektronik sürüklenmeleri kısmen dengelemek amacıyla kullanılmıştır.

Frekans performansı

Çalışmanın 9. sayfasındaki Şekil 10, farklı alıcı geri besleme dirençleri için bütün CMUT-verici-alıcı zincirinin frekans tepkisini göstermektedir. Tepki, tek bir devre bloğuna değil şu etkilerin birleşimine bağlıdır:

• CMUT verici duyarlılığı.
• CMUT alıcı duyarlılığı.
• Alıcı ve verici elektroniklerinin bant genişliği.
• Düşük frekanstaki akustik kırınım.
• Yüksek frekanstaki havadan ultrason zayıflaması.
• Elektriksel kapasitif yükleme.

Sistem 0,5–5 MHz aralığında ölçülebilir sinyal üretmiştir. Havadaki temel bant genişliği deneylerinde 5 MHz’e kadar sinyal, ek interpolasyon veya ortalama olmadan alınabilmiştir. Gaz deneyinde ise daha kararlı özellik çıkarımı için 20 edinim ortalanmıştır.

Şekil 11, farklı merkez frekanslarında alınan zaman sinyallerini ve spektrumlarını göstermektedir. Ana metin son paneli 4 MHz, şekil açıklaması 3 MHz olarak tanımlamaktadır. Bu uyuşmazlık düzeltilmelidir.

Kompaktlığın ve güç tüketiminin sonucu

Kompakt sistemin ölçüm elektroniği 1 W’ın altında güç kullanmaktadır. Red Pitaya, Wi-Fi sırasında yaklaşık 10 W’a kadar tüketmektedir. Yaklaşık 11 W toplam tüketim ile 50 Wh nominal batarya kapasitesinin bölünmesi, 4,5 saatlik teorik çalışma süresi vermektedir. Gerçek süre dönüştürücü kayıpları, batarya sıcaklığı ve kapasite düşümü nedeniyle daha kısa olabilir.

İşlenmiş sinyaller ne göstermektedir?

Çalışmanın 10. sayfasındaki Şekil 12; saf N₂, %4 H₂ + %96 N₂ ve %4 CO₂ + %96 N₂ için çapraz korelasyon sonrasında elde edilen sinyalleri karşılaştırmaktadır. Her grafikte:

• Zaman alanındaki işlenmiş ultrasonik dalga.
• Hilbert zarfı.
• Uçuş süresini veren zarf tepe noktası.
• 1,5 MHz’deki FFT genliği

gösterilmiştir. H₂ ve CO₂ karışımlarının hem tepe konumunda hem de spektrum genliğinde azot referansından farklılık oluşturduğu görülmektedir.

Derişim basamaklarına verilen tepki

11. sayfadaki Şekil 13(a), deney boyunca ΔToF ve ΔA’nın zamana bağlı değişimini; Şekil 13(b) ise uygulanan gaz ve derişim programını göstermektedir. Her üç dakikalık basamakta yaklaşık 540 veri noktası toplanmıştır.

Gaz değiştirme anlarında kısa geçiş sapmaları oluşmuştur. Araştırmacılar bunları akış kontrol vanalarının gecikmesi ve gaz değiştirme sırasındaki akış bozulmalarıyla ilişkilendirmiştir. Temsili değerler, bu geçici bölgelerden kaçınmak için her basamağın orta kısmından alınmıştır.

%4’ten %1’e inen derişim serileri için birinci dereceden doğrusal eğilimler uygulanmıştır. Bu doğrular çalışma aralığındaki yanıt yönünü göstermektedir; bağımsız doğrulama yapılmadığından bütün derişimlerde geçerli tam kalibrasyon modelleri olarak değerlendirilmemelidir.

ΔA–ΔToF haritası

11. sayfadaki Şekil 14, H₂, CO₂, CH₄ ve He için ölçülen genlik değişimini uçuş süresi değişimine karşı göstermektedir. Dört gaz ailesi farklı yörüngeler meydana getirmiştir:

• H₂, CO₂, CH₄ ve He noktaları aynı doğru üzerinde tamamen çakışmamaktadır.
• Gaz derişimi değiştikçe her gaz kendi eğilimi boyunca ilerlemektedir.
• Her gazdan %1 içeren karışık gaz noktası ara bir bölgede bulunmaktadır.

Bu sonuç, iki akustik özelliğin birlikte kullanılmasının gaz türü hakkında bilgi taşıdığını göstermektedir. Ancak şekil, görsel ayrılabilirlik sunmaktadır; eğitilmiş bir sınıflandırıcı, kör test, güven bölgesi veya hata matrisi bulunmadığı için nicel “gaz tanıma doğruluğu” hesaplanamaz.

Kararlılık ve sürüklenme

Araştırmacılar kısa deney sırasında sıcaklık sürüklenmesinin sınırlı kaldığını ve azot referanslarının yavaş değişimleri azalttığını belirtmektedir. Metinde ayrıca daha uzun gözlemlerde yaklaşık 11 saat içinde artık ΔToF taban çizgisi sürüklenmesinin yaklaşık %0,5 olduğu ifade edilmiştir.

Bununla birlikte uzun süreli testin ayrıntılı zaman serisi, tekrar sayısı ve farklı çevre koşullarındaki karşılığı ana şekillerde sunulmamıştır. Bu nedenle %0,5 değeri uzun dönem ürün kararlılığı veya saha kalibrasyon aralığı olarak kullanılmamalıdır.

Çalışmanın güçlü yönleri

• CMUT, yüksek gerilim üretimi, verici, alıcı ve hızlı edinimi tek taşınabilir zincirde birleştirmektedir.
• GaN transistörü darbeli doğrusal yükselteç olarak kullanarak kontrollü sinüzoidal yüksek gerilim üretmektedir.
• Verici ve alıcı CMUT’ların kutuplama gerilimleri bağımsız ayarlanabilmektedir.
• Yüksek gerilim dönüştürücüsü ölçüm sırasında durdurularak anahtarlama gürültüsü azaltılmaktadır.
• Alıcı geri besleme direnci değiştirilerek kazanç ve bant genişliği ayarlanabilmektedir.
• 0,5–5 MHz aralığında havadan ölçülebilir ultrasonik iletim gösterilmiştir.
• H₂, CO₂, CH₄ ve He için gerçek kontrollü gaz akışı deneyleri yapılmıştır.
• Uçuş süresi ve spektrum genliği aynı ölçümden birlikte çıkarılmıştır.
• Önceki laboratuvar sistemine göre hacim ve kütle yaklaşık 30 kat azaltılmıştır.
• Batarya ve Wi-Fi kullanımıyla şebekeden bağımsız ölçüm gösterilmiştir.

Çalışmanın sınırlılıkları

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir.
• Gaz algılama deneyi yalnızca 1,5 MHz’de yapılmıştır.
• Akustik yol yalnızca 6 mm’dir.
• Test edilen en düşük tek gaz derişimi %1’dir.
• Algılama sınırı, nicel doğruluk ve belirsizlik bütçesi verilmemiştir.
• Gaz sınıflandırma doğruluğu veya yanlış alarm oranı hesaplanmamıştır.
• Her gaz için bağımsız tekrarlar ve hata çubukları açıkça rapor edilmemiştir.
• Karışık gaz deneyi yalnızca tek bileşim noktasından oluşmaktadır.
• Gazların hava, oksijen veya gerçek endüstriyel arka plan içindeki davranışı sınanmamıştır.
• Nem kontrollü biçimde değiştirilmemiştir.
• Basınç değişimi incelenmemiştir.
• Gaz geçiş ve temizlenme süreleri nicel bir yanıt süresi modeliyle değerlendirilmemiştir.
• Gaz deneyinde 20 sinyal ortalaması kullanılmıştır.
• Sinyal işleme hâlen ana bilgisayarda gerçekleştirilmekte, bütünüyle kart üzerine taşınmamıştır.
• Prototip 1 kg’dır ve nihai mini sensör boyutunda değildir.
• Gerçek batarya çalışma süresi deneysel olarak gösterilmemiştir.
• GaN elemanının sıcaklığı ve uzun dönem doğrusal çalışma güvenilirliği ölçülmemiştir.
• Yüksek gerilim güvenliği ve muhafaza tasarımı değerlendirilmemiştir.
• EMC, titreşim ve mekanik şok testleri yapılmamıştır.
• Patlayıcı ortam sertifikasyonu veya kıvılcım güvenliği gösterilmemiştir.
• Üretim maliyeti ve seri üretilebilirlik analizi bulunmamaktadır.
• GaN eleman adı, ölçüm frekansı ve DAC çalışma noktası konusunda metin içi uyuşmazlıklar vardır.

Çalışma neyi desteklemektedir?

Çalışma, iki CMUT arasında yayılan ultrasonik sinyalin uçuş süresi ve genliğinin, kontrollü H₂, CO₂, CH₄ ve He karışımlarındaki derişim değişimlerine tepki verdiğini desteklemektedir. Ayrıca daha önce çok sayıda laboratuvar cihazı gerektiren temel gönderme, alma, yüksek gerilim ve veri edinimi işlevlerinin yaklaşık 1,9 litre hacmindeki bataryalı bir platformda birleştirilebildiğini göstermektedir.

Deneyler, darbeli doğrusal GaN yükseltecinin geniş bant sinüzoidal CMUT sürüşü için kullanılabileceğini; transimpedans alıcının geri besleme elemanlarıyla ayarlanabildiğini ve yükseltici dönüştürücünün ölçüm sırasında susturulmasının zayıf sinyal ölçümünü kolaylaştırdığını desteklemektedir.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

Çalışma, sistemin bilinmeyen gazları otomatik ve hatasız biçimde tanımladığını, %0,01 düzeyinde gaz algıladığını, gerçek endüstriyel kaçaklara yeterince hızlı tepki verdiğini veya sıcaklık ve nem değişimlerinden bağımsız olduğunu kanıtlamamaktadır. Gazların ΔA–ΔToF eğrilerinin ayrılması, tek başına sertifikalı seçicilik veya nicel sınıflandırma performansı anlamına gelmez.

Çalışma ayrıca CMUT yaklaşımının kimyasal gaz sensörlerinden daha uzun ömürlü, daha düşük maliyetli veya daha güvenilir olduğunu doğrudan göstermemektedir. Bu yararlar, gazla tepkimeye giren hassas kaplama kullanılmamasından doğan araştırma potansiyelidir ve uzun süreli karşılaştırmalı deneylerle doğrulanmalıdır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Sensör başlığının temel özellikleri

Elektronik sistemin bileşenleri

Gömülü platform ve iletişim

Alıcı geri besleme karşılaştırması

Gaz deneyinin işlem sırası

1. Saf N₂ sensör başlığına verilerek referans ölçümü alınmıştır.
2. Hedef gaz ve N₂, kütlesel akış kontrolörleriyle istenen oranda karıştırılmıştır.
3. Toplam gaz akışı 100 cm³/dakikada tutulmuştur.
4. Verici CMUT’a 1,5 MHz ve 20 µs süreli darbe uygulanmıştır.
5. Alıcı CMUT’tan gelen işaret TIA ile yükseltilmiştir.
6. Her ölçüm noktası için 20 edinim ortalanmıştır.
7. İşlenmiş veri yaklaşık 0,32 saniyede ana bilgisayara gönderilmiştir.
8. Çapraz korelasyon ve Hilbert zarfından ToF belirlenmiştir.
9. FFT’den 1,5 MHz genliği çıkarılmıştır.
10. ΔToF ve ΔA değerleri saf N₂ referansına göre hesaplanmıştır.
11. Her derişim basamağının orta bölümündeki kararlı değerler kullanılmıştır.

Ana nicel sonuçlar

Metin içindeki teknik uyuşmazlıklar

Uygulama öncesi gerekli doğrulamalar

• Gaz deneyleri 0,5–5 MHz aralığında çok frekanslı olarak tekrarlanmalıdır.
• Her gaz için %1’in altında çok sayıda kalibrasyon noktası kullanılmalıdır.
• Algılama ve nicel tayin sınırları hesaplanmalıdır.
• Bağımsız kör gaz örnekleriyle sınıflandırma doğruluğu ölçülmelidir.
• Birden fazla gazın farklı oranlarda bulunduğu geniş karışım veri seti oluşturulmalıdır.
• Sıcaklık, nem ve basınç değişimleri kalibrasyona dâhil edilmelidir.
• Hava ve oksijen içeren gerçekçi arka plan gazları kullanılmalıdır.
• Yanıt, temizlenme ve vana gecikmesi süreleri ayrı ayrı ölçülmelidir.
• Farklı CMUT üretim partileri arasında sensörler arası değişkenlik belirlenmelidir.
• Uzun dönem taban çizgisi, tekrarlanabilirlik ve yaşlanma deneyleri yapılmalıdır.
• GaN elemanının sıcaklığı ve doğrusal çalışma güvenilirliği izlenmelidir.
• Red Pitaya yerine daha küçük ve düşük güçlü gömülü donanım değerlendirilmelidir.
• Sinyal işleme bütünüyle kart üzerine taşınmalıdır.
• Yüksek gerilim bölümü elektriksel güvenlik muhafazasına alınmalıdır.
• EMC, titreşim, şok ve taşınabilir batarya deneyleri yapılmalıdır.
• Hidrojen ve metan uygulamaları için patlayıcı ortam güvenliği doğrulanmalıdır.
• Pilot tesislerde gerçek kaçak ve havalandırma koşulları altında saha denemeleri yapılmalıdır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı:Compact CMUT Gas Sensor Integrating GaN-Based Amplifier

Yazarlar ve sıraları: Yilihamu Abudujiasuer; Rida Yachouti; Etienne Lemaire; Flavien Barcella; Thierry Potier; Fabrice Mathieu; Isabelle Dufour; Dominique Certon.

Eşit katkılı yazar bilgisi: Çalışmada eşit katkı veya ortak birinci yazarlık bildirimi bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Yilihamu Abudujiasuer.

Sorumlu yazar e-posta adresi: yilihamu.abudujiasuer@univ-tours.fr

Kurumsal bağlantılar:

1. GREMAN Laboratory UMR-CNRS 7347, University of Tours, 37071 Tours, Fransa.
2. IMS Laboratory UMR-CNRS 5218, University of Bordeaux, 33405 Talence, Fransa.
3. LAAS Laboratory, LAAS-CNRS UPR8001, University of Toulouse, 31031 Toulouse, Fransa.

Yazar-kurum eşleşmesi:

• Yilihamu Abudujiasuer, Rida Yachouti, Etienne Lemaire, Flavien Barcella, Thierry Potier ve Dominique Certon: GREMAN Laboratory, University of Tours.
• Isabelle Dufour: IMS Laboratory, University of Bordeaux.
• Fabrice Mathieu: LAAS Laboratory, University of Toulouse.

Kaynak türü: CMUT sensör üretimi, özel elektronik devre geliştirme, frekans karakterizasyonu ve kontrollü gaz akışı deneyleri içeren deneysel preprint araştırma makalesi.

Konu alanı: MEMS gaz sensörleri, CMUT, havadan ultrason, GaN yükselteçleri, gömülü elektronikler, uçuş süresi ölçümü ve akustik gaz ayrımı.

Hakemlik durumu: Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Yüklenen sürümün her sayfasında preprint ve hakemlik uyarısı bulunmaktadır.

Yayın platformu: SSRN.

Platform sağlayıcısı: Elsevier SSRN Preprint Services.

SSRN kayıt numarası: 7201800.

DOI:10.2139/ssrn.7201800

Resmî bağlantı:SSRN kayıt sayfası

Yayın yılı: 2026.

Dergi: Hakemli bir dergide yayımlandığı doğrulanmamıştır.

Özgün dergi yayınevi: Doğrulanmış bir hakemli dergi veya nihai dergi yayınevi bulunmamaktadır. SSRN bir preprint platformudur ve hakemli dergi olarak gösterilmemelidir.

Finansman: Çalışma, French National Research Agency tarafından desteklenen MIGNON projesi kapsamında finanse edilmiştir. Makalede finansman numarası ANR-22-CE42-0012-04 olarak verilmiştir. Çalışma ayrıca University of Tours bünyesindeki CERTeM teknolojik platformundan yararlanmıştır.

MIGNON ana proje kaydı:ANR-22-CE42-0012

Çıkar çatışması: Yüklenen ana metinde ayrı ve açık bir çıkar çatışması bildirimi yer almamaktadır.

Yazar katkıları: CRediT veya benzeri ayrıntılı yazar katkısı bildirimi bulunmamaktadır.

Veri ve kod erişimi: Ham gaz ölçüm verileri, PCB üretim dosyaları, devre tasarım dosyaları, Red Pitaya kaynak kodu veya Python analiz kodu için açık bir veri deposu bağlantısı verilmemiştir.

Destekleyici bilgi durumu: Temel devre ve karakterizasyon ayrıntıları ana metnin Ek A ve Ek B bölümlerinde verilmiştir. Ayrı bir destekleyici bilgi dosyasına atıf yapılmamaktadır.

Bibliyografik ve teknik uyarı: Ana metinde GaN elemanının modeli, Şekil 11’in son frekansı ve nominal DAC DC kontrol düzeyi konusunda birbirinden farklı ifadeler bulunmaktadır. Nihai yayın öncesinde bu alanların düzeltilmesi gerekir.

Bu Türkçe açıklama, yüklenen çalışmanın bütün ana metni, tabloları, devre şemaları, frekans eğrileri, zaman sinyalleri, gaz tepki grafikleri ve Ek A–B teknik analizleri incelenerek hazırlanmıştır. Bilimsel içerik yalnızca çalışmada sunulan deneysel sonuçlar ve araştırmacıların yorumlarıyla sınırlandırılmıştır. Dış kaynaklar yalnızca başlık, yazar, DOI, platform, kurum ve proje bilgilerinin bibliyografik doğrulaması amacıyla kullanılmıştır.

Sonuçlar; çalışmanın hakem değerlendirmesinden geçmemiş olması, gaz deneylerinin tek frekans ve kısa akustik yolla sınırlı kalması, en düşük test derişiminin %1 olması, çoklu gaz deneyinin tek bileşim içermesi, sınıflandırma ve algılama sınırı metriklerinin verilmemesi, çevresel değişkenlerin sınanmaması ve prototipin hâlen ana bilgisayara bağlı olması dikkate alınarak değerlendirilmelidir.