Baskılı Devre Teknolojileri Kullanılarak PSA Test Cihazı Tasarımı

Abstract

Baskılı devre kartı elektronik devre elemanlarını monte etmek için üzerinde bakır yollar bulunan, yüzeyler arasında ise içi iletken kaplı delikler içeren değişik yalıtkan malzemelerden yapılmış plakalardır. Tek yüzlü olanları ütü ile amatörce üretilebilirken, çok katlı olanları üretmek için profesyonel tesisler gerekmektedir. Eski teknolojiler kullanılarak tasarlanan ve üretilen kartlar çok büyük olmakta bu da tasarlanan cihazların mekanik ölçülerini büyütmektedir. Çok katlı baskılı devre kartları küçük ebatlarda kartlar tasarlamamıza olanak sağlar. Elektronik malzemeleri hem üst hem de alt katmana yerleştirmek tasarımda esneklik sağlar. Bazı yüksek yoğunluklu kartlarda iç katmanlarda kapasitif etki yaratmak bile mümkündür. Bu da tasarımda fazlaca yer kaplayan kapasitelerin sayısını azaltabilmeyi sağlar. İçi iletken kaplı geçiş deliklerinin diğer katmanlardaki bakır yolları kısa devre etmemesi gerekir. Bunun engellemek için baskılı devre üreticileri kör ve gömülü delik denilen bir kavramı geliştirmişlerdir. Kör delikler en üst veya en alt katmandan başlayıp birkaç katman ilerleyip orada sonlanan deliklerdir. Gömülü delikler ise iç katmanda başlayıp yine iç katmanda biten, dışarıdan hiçbir şekilde müdahele edilemeyen iletken deliklerdir. Kör delikler gibi gömülü delikler de tasarımda esneklik sağlar. Bisens, elektrokimyasal yöntemle patojenik mikroorganizma tespiti, gıda ürünlerinde mikotoksin tespiti, medikal alanda PSA biyoişareti tespit edebilen bir tanı cihazıdır. Mısır, fındık, buğday gibi besinlerde bazı bakteriler çoğalınca zehirli kimyasallar üretir. Deoxynivalenol ve aflatoksin tanısında 15 dakika gibi kısa bir sürede sonuç vermektedir. Bunun dışında tatlı sularda bulunabilen toksik madde salgılayan planktothrix agardhii dnası tespiti yapabilmektedir. Medikal alanda ise PSA (prostate specific antijen) biyoişareti tespitinde hızlı ve yerinde sonuç alma imkanı tanımaktadır. Bu tezde Bisens'in PSA teşhisindeki versiyonunda çalışılmıştır. Kandaki PSA seviyesinin normal limitleri 4ng/ml dir. Kandaki PSA seviyesinin normalin üzerine çıkması prostat kanserinin bir göstergesidir. PSA testi için günümüzde insanlar hastahanelere gidip kan verip yoğunluğa göre saatlerce veya günlerce sonuç beklemektedir. Bisens, laboratuvar alt yapısı olmayan, şehire uzak yerler veya sağlık ocakları için 15 dakika gibi kısa bir sürede hızlı sonuç verebilen bir tanı cihazıdır. İçerisinde özel kimyasal sıvılar bulunduran kartuşa hastadan alınan kan enjekte edilir, cihazın kapağı kapatılıp ölçüm butonuna basıldıktan yaklaşık 15 dakika kadar sonra ölçüm sonucu ekranda gözükür. Bu hızlı sonuç verme kabiliyeti, hastanın doktorun yanındayken bile kan testi sonucunu almasına olanak sağlar.Cihazın anakartı; güç entegreleri, wifi ve usb modülleri, motor sürücü devreleri ve çevresel birim konnektörlerinden meydana gelir. Anakartın ilk versiyonu; çift taraflı, bütün deliklerden oluşan sert baskılı devredir. Üretiminde 1.6 mm kalınlığında her iki yüzeyi ve delik içleri de bakır kaplı FR4 plaka kullanılmıştır. Anakartının teknolojisinin eski olması, büyük malzeme ve kılıflarının seçilmesi, baskılı devre kartını fazlaca büyütmüş, bu yüzden cihaz kabuğu da büyümüştür. Sonuç olarak, ortaya hedeflenenden çok daha büyük prototip bir ürün çıkmıştır. Cihaz, el cihazı olma amacından uzaklaşmıştır. Bu tez çalışmasında bahsedilen PSA test cihazının anakart tasarımı gözden geçirilmiş, yeni bir baskılı devre tasarımı gerçeklenmiştir. Tasarımda iki katlı yapıdan, çok katlı baskılı devre yapısına geçilmiştir. Bu yapı içerisinde tasarımda kör delikler kullanılmış, bu sayede kartta yerden kazanç sağlanmıştır. Devrede empedans uyumlu olması gereken hatlar dikkate alınmış, yeni bir stackup çalışması yapılmıĢtır. Tek hatlarda 50 ohm empedansını sağlamak için Altium Designer, SaturnPcb yazılımları aracılığıyla simülasyonlar yapılmıĢtır. 50 ohm ve 100 ohm empedansları sağlamak amacıyla gerekli olan hat kalınlıklarına, baskılı devre kalınlığına, bakır ve FR4 kalınlıklarına karar verilmiştir. Bu çalışmada elektromanyetik girişimin etkilerini en aza indirecek konfigürasyonlar seçilmiştir. Konnektörler ve işlemci dahil olmak üzere her malzemenin baskılı devre kartındaki ayakizi tekrar tasarlanmıştır. Bir çok elektronik malzemede delikli yapıdan yüzey montaj teknolojisine geçilmiştir. Böylece deliklerin oluşturduğu diğer katmanlardaki ölü alanlar kullanılabilir hale gelmiştir. Baskılı devre kartında kullanılan minimum hat kalınlığı ve minimum delik çapları simülasyon programları aracılığıyla hesaplanıp tasarımda minimum 0.1 mm hat genişliği ve minimum 0.1 mm hat aralığı kullanılmıstır. Geçiş delikleri 0.15 mm çapında seçilmiştir. Yüksek akım çeken bölgelerde geçiş deliklerinin çapları 0.3 mm ye kadar arttırılmıstır.Anakartın tasarımında gerçeklenen iyileştirmeler sonucunda, anakartın boyutları 101 mm x 165 mm ölçülerinden 49 mm x 95 mm olacak şekilde küçülmüĢtür.Yaklaşık 4 katlık küçülme cihaz kabuğuna da aynı oranda yansıtılabilir. El cihazı olma amacıyla prototipi üretilmiş olan Bisens, önceki versiyonunda anakartın büyüklüğü sebebiyle elde taşınabilir ancak oldukça büyük bir prototip ürün olmuştur. Bu tez çalışması sayesinde, anakartta gerçeklenen tasarım revizyonu cihaz kabuğuna yansıtıldığı taktirde var olandan yaklaşık 4 kat daha küçük PSA testi yapabilen el cihazı ortaya çıkacaktır.

Printed circuit boards are such plates made of different insulating materials that they feature copper lines on the surface in order to integrate electronic circuit elements and contain holes coated inside with conductors between the surfaces. Those having only single surface can be produced unprofessionally using flat iron whereas those with multilayer require professional installations. Pcbs designed and manufactured employing the old technologies are so big and correspondingly enlarge physical dimensions of the devices designed.Multilayer printed circuit boards allow us to design cards in small dimensions. Placing electronic component both on upper and lower layers ensures flexibility in design. It is also possible to create capacitive effect inside the inner layers of high density cards. This offers an opportunity to reduce number of capacities occupying excessively more space in design. Transition holes coated inside with conductors must not develop a short-circuit with the copper lines of other layers. In order to prevent this, printed circuit board manufacturers developed such conceptions as blind and embedded holes. Blind hole is the one that starts from the uppermost or lowermost layers, advance several layers and end there. Embedded hole is a conducting hole that starts from one inner layer and extends to another, and can be interfered in no way. Embedded holes, as in the case of blind holes, also provide flexibility in design.Bisens device, is a medical device that can determine pathogenic microorganisms, identify toxin, and detect biosign of cancer. In this dissertation PSA test device's mainboard was redesigned by using new pcb technologies.Rigid, double sided pcb made of through holes has been designed previous version of the mainboard. Old technology employed in the production of printed circuit boards and choice of big components and footprints caused the printed circuit board to become excessively large, and in turn, device enclosure became bigger. As a result, a prototype product much bigger than it was thought it would be, was obtained. Aim was to reduce printed circuit board size, introducing improvements in the mainboard of the medical device mentioned in this thesis study. Multilayered blind holes have also been employed in this design for such purposes.