Design, fabrication and implementation of a vibration based MEMS energy scavenger for wireless microsystems
Kablosuz sistemlere yönelik titreşim tabanlı bir mikro enerji üretecenin tasarımı, üretemi ve uygulanması
- Tez No: 176906
- Danışmanlar: PROF. DR. TUNA BALKAN, YRD. DOÇ. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Makine Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 221
Özet
Bu tez çalısmasında, mikroelektromekanik sistem teknolojisi (MEMS) tabanlı elektromanyetik mikro enerji üreteçlerinin tasarım, mikro üretim ve test süreçleri sunulmuştur. Bu üreteçler, ortamda zaten varolan çevresel titreşimleri elektromanyetik indükleme tekniğiyle elektriksel enerjiye çevirebilmektedir. Bu çalışmanın iki amacı vardır: (i) geleneksel enerji üreteçlerinin bant genişliğini artırmak ve (ii) bu jeneratörlerin genelde çevresel titreşimin daha sık görüldüğü 1-100 Hz aralığındaki düşük frekanslarda daha verimli çalışmasını sağlamaktır.Bu çalışma kapsamında temel olarak dört farklı tasarım öne sürülmüştür. Bunlardan ilki temel olarak parylene malzemesinden yapılmış 20 adet rezonans koldan oluşmaktadır. Bu kolların üzerinde metal sarımlar bulunmaktadır ve çevresel titreşimler yardımıyla sabit bir mıknatısa karşı hareket edebilmektedirler. Bu jenaratör 9.5×8×6 mm3 büyüklüğündedir ve her bir kolundan, 3.45 kHz'lik bir titreşim frekansında, 0.67 mV'luk voltaj ve 56 pW'lık güç üretilebildiği gösterilmiştir. Öne sürülen ikinci tasarım ile farklı uzunlukta rezonans kollar kullanılarak geleneksel tasarımların bant genişliğininin artırılması hedeflenmiştir. Bu tasarım 14×12.5×8 mm3 büyüklüğündedir ve mekanik yapısı bir önceki tasarıma benzemektedir. Yapılan testlerle, 3 ?m'luk uzunluk artımları kullanılarak bant genişliğinin 1000 Hz'e kadar artırılabilecegini ve 3.5 ile 4.5 kHz frekans aralığında 9 mV'luk sabit voltaj ve 1.7 nW'lık sabit güç elde edilebileceği gösterilmiştir. Çalışma kapsamında ele alınan üçüncü tasarım ise büyük kütle sarım jeneratörüdür. Bu tasarım literatürde daha önce sıkça incelenmiş bir tasarımdır. Bu jeneratör üzerinde metal sarım bulunan sabit bir alt parçadan ve çevresel titreşimlerle salınabilen bir mıknatıs-diyafram yapısından oluşmaktadır. Önerilen bu yapı 8.5×7×2.5 mm3 büyüklüğündedir ve bu çalışma kapsamından karşılaştırma amacıyla incelenmiştir. Test sonuçlarına göre, üretilen bu tasarımdan, 113 Hz'lik çevresel titreşim frekansında, 0.3 mV'luk voltaj ve 40 pW'lık güç elde etmek mümkündür. Bu çalışmada önerilen son tasarımın amacı ise 1-100 Hz aralığındaki düşük frekanslı çevresel titreşimleri, 2-3 kHz aralığında daha yüksek bir frekans aralığına taşımaktır. Böyle bir tasarım literatürde ilk defa öne sürülerek incelenmiştir. Önerilen yapı iki parçadan oluşmaktadır; yukarıda bulunan diyafram-mıknatıs yapısı ve bunun hemen altında, üzerinde seri olarak bağlanmış sarımlar bulunan 20 adet rezonans koldur. Diyafram çevresel titreşimlerle salınmakta ve hemen altında ucunda nikel (Ni) manyetik alanlar bulunan kolları yakalayıp bırakmaktadır. Serbest kalan kollar, kendi sönümlü doğal frekanları olan 2-3 kHz aralığında salınmaktadır. Yapılan testlerle frekans çevriminin mikro ölçülerde gerçekleştirildiği gösterilmiştir. Üretilen bu tasarım 8.5×7×2.5 mm3 büyüklüğündedir ve 113 Hz'lik çevresel titreşim frekansında, her bir koldan 0.57 mV'luk voltaj ve 0.25 nW'lık güç elde edilebildiği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis study presents the design, simulation, micro fabrication, and testing steps of microelectromechanical systems (MEMS) based electromagnetic micro power generators. These generators are capable of generating power using already available environmental vibrations, by implementing the electromagnetic induction technique. There are mainly two objectives of the study: (i) to increase the bandwidth of the traditional micro generators and (ii) to improve their efficiency at low frequency environmental vibrations of 1-100 Hz where most vibrations exist.Four main types of generators have been proposed within the scope of this thesis study. The first type of generator is mainly composed of 20 parylene cantilevers on which coils are fabricated, where the cantilevers are capable of resonating with external vibrations with respect to a stationary magnet. This generator has dimensions of 9.5×8×6 mm3, and it has been shown that 0.67 mV of voltage and 56 pW of power output can be obtained from a single cantilever of this design at a vibration frequency of 3.45 kHz. The second type generator aims to increase the bandwidth of the traditional designs by implementing cantilevers with varying length. This generator is sized 14×12.5×8 mm3, and the mechanical design and energy generation concept is similar to the first design. The test results show that by using 40 cantilevers with a length increment of 3 ?m, the overall bandwidth of the generator can be increased to 1000 Hz. It has also been shown that 9 mV of constant voltage and 1.7 nW of constant power output can be obtained from the overall device in a vibration frequency range of 3.5 to 4.5 kHz. The third type is a standard large mass coil type generator that has been widely used in the literature. In this case, the generator is composed of a stationary base with a coil and a magnet-diaphragm assembly capable of resonating with vibrations. The fabricated device has dimensions of 8.5×7×2.5 mm3, and it has been considered in this study for benchmarking purposes only. The test results show that 0.3 mV of voltage and 40 pW of power output can be obtained from the fabricated design at a vibration frequency of 113 Hz. The final design aims to mechanically up-convert low frequency environmental vibrations of 1-100 Hz to a much higher frequency range of 2-3 kHz. This type of generator has been implemented for the first time in the literature. The generator is composed of two parts; a diaphragm-magnet assembly on the top, and 20 cantilevers that have coils connected in series at the base. The diaphragm oscillates by low frequency environmental vibrations, and catches and releases the cantilevers from the tip points where magnetic nickel (Ni) areas are deposited. The released cantilevers then start decaying out oscillations that is at their damped natural frequency of 2-3 kHz. It has been shown with tests that frequency up-conversion is realized in micro scale. The fabricated device has dimensions of 8.5×7×2.5 mm3, and a maximum voltage and power output of 0.57 mV and 0.25 nW can be obtained, respectively, from a single cantilever of the fabricated prototype at a vibration frequency of 113 Hz.
Benzer Tezler
- 2-8 MBit/s fiber optik hat teçhizatı arayüz devresinin sahada programlanabilir kapı dizisi ile tasarlanması ve gerçeklenmesi
Designing and implementing 2MBit/s and 8 MBit/s fiber optic line terminating equipment interface circuit by using field programmable gate array
ÜMİT GÖĞÜSGEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU
- Nanoteknolojide yerel olmayan çubuk teorisinin statik ve dinamik problemleri
Static and dynamic problems of nonlocal beam theory in nanotechnology
OLCAY OLDAÇ
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Design, analysis and implementation of a MIMO wide beam dual polarization antenna
Çoklu giriş çoklu çıkış (ÇGÇÇ) ve geniş demetli çift polarizasyonlu anten tasarımı, analizi ve gerçeklerştirimi
ALPER YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFatih ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. ERDAL KORKMAZ
- Design and implementation of reconfigurable transmitarray unit cells employing the element rotation method by microfluidics
Mikroakışkan teknolojisi ile eleman döndürme metodunu uygulayan ayarlanabilir ileti dizi birim hücreleri tasarımı ve üretimi
EMRE ERDİL
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE ÖZLEM AYDIN ÇİVİ
YRD. DOÇ. DR. KAĞAN TOPALLI
- Design and implementation of wideband stripline circulators
Geniş bant şerit hat sirkülatörlerin tasarımı ve gerçeklenmesi
GÖKÇEN YILMAZ DAYANIKLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞİMŞEK DEMİR