Design and fabrication of piezoelectric energy harvesting micro devices for biomedical implants
Biyomedikal implantlar için piezoelektrik enerji toplayıcı mikro cihazların tasarımı ve üretimi
- Tez No: 767036
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH, PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 142
Özet
Sessizliğe mahkum olmuş insanların tekrar duyabilmelerini sağlayabildiklerinden birçok kimse tarafından 'sihirli cihazlar' olarak adlandırılan koklear implantlar gibi biyomedikal implantlar, diğer tüm mühendislik harikaları gibi bu mucizeleri yaratabilmek için bir enerji kaynağına ihtiyaç duyarlar. Günümüz koklear implantları bu ihtiyacı karşılamak için pil kullanmaktalar, ancak enerji toplayıcılar da çekici bir alternatif oluşturmaktadır. Çeşitli enerji toplama yöntemleri içerisinde piezoelektrik malzemeler gerek yüksek güç yoğunluğu gerekse de mikro uygulamalara yatkınlıkları sebebiyle yaygın olarak araştırılmaktadır. Bu çalışmada yeni nesil tamamen implante koklear implant için kullanılabilecek piezoelektrik enerji toplayıcı cihazların tasarımı, üretimi ve deneysel incelenmesi açıklanmaktadır. En yeni nesil tamamen implante koklear implantların enerji ihtiyaçlarını karşılayabilmek için yığın ve ince film PZT malzeme tabanlı enerji toplayıcı ve algılayıcı yongalar tasarlanıp, üretilip, test edilmiştir. Mikrofabrikasyon üretim akışları optimize edilmiştir. Sonlu elemanlar modellemesi yöntemi ile yeni bir tasarım olan çift kantileverli enerji toplayıcı konsepti oluşturulmuştur. Üretilen cihazların performansı titreşim ve akustik deney düzenekleri ile ölçülmüştür. Akustik testlerinde, tekli kantilever tasarımlı yongalar ile 120 dB ses şiddeti altında 16.25 µW güç elde edilmiştir. Literatürde mevcut olan benzer mikro ölçekli akustik cihazlar içerisinde en yüksek güç yoğunluğuna ulaşılmıştır (1.5 × 10−3 W/cm3). Yeni tasarlanan çift kantileverli yongaların titreşim testlerinde 1 g ivme altında en yüksek 61 µW güç elde edilmiştir. Koklear implant uygulamaları göz önüne alınarak enerji toplayıcı yongalar için yeni bir performans katsayısı önerilmiştir. Son üretilen enerji toplayıcı yonga, benzer çalışmalar ile karşılaştırıldığında yonga kütlesi başına düşen en yüksek normalize güç yoğunluğunu (214.8 µW/(cm3 *Hz * g2* mg)) elde etmiştir.
Özet (Çeviri)
Biomedical implants such as cochlear implants (CI) are called 'magical devices' by many, since they enable people in the silence to hear again, and just like every other engineering marvel, they need an energy source to create their wonders. Today's CIs are using batteries for this purpose but energy harvesting presents a favorable alternative. Among the different energy harvesting methods, piezoelectric materials are widely investigated due to their high power density and micro-integration possibilities. This study describes the design, fabrication, and experimental investigation of a piezoelectric energy harvesting micro chip suitable for next-generation fully implantable cochlear implant applications. To provide the power requirements of the state-of-art fully implantable cochlear implants, bulk and thin film PZT based energy harvesting and transducer chips were designed, fabricated, and tested. The microfabrication process flow of the chips was optimized. Finite element modeling was used to design a novel double cantilever energy harvester. Vibration and acoustic test setups were used to analyze the performance of the fabricated devices. In the acoustic tests, 16.25 µW power was obtained at 120 dB sound input with the single cantilever chips. Compared with the literature on similar microacoustic devices highest power density (1.5 × 10−3 W/cm3) was obtained. With the new double cantilever design chips, vibration tests at 1 g input acceleration resulted in maximum power of 61 µW. For the purpose of cochlear implantation, a new figure of merit for the energy harvester chips was defined. The final energy harvester chip provided the highest normalized power density per chip mass (214.8 µW/(cm3 *Hz * g2* mg)) among similar studies.
Benzer Tezler
- A novel micro piezoelectric energy harvesting system
Yeni bir mikro piezoelektrik enerji harmanlayıcı sistemi
TOLGA KAYA
Doktora
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ALİ ZEKİ
Y.DOÇ.DR. HÜR KÖŞER
- Kristalografik dokuya sahip [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]- [PbTiO3] piezoelektrik seramiklerin üretimi, karakterizasyonu ve enerji hasatı uygulamaları
Fabrication, characterization and energy harvesting application of crystalografic textured [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]- [PbTiO3] ceramics
AYŞE BERKSOY YAVUZ
Doktora
Türkçe
2018
Bilim ve TeknolojiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBRU MENŞUR ALKOY
- Geniş bantlı ve düşük frekanslı mekanik titreşimler için esnek piezoelektrik enerji hasadı sistemi tasarımı ve üretimi
Design and fabrication of a flexible piezoelectric energy harvesting system for broadband and low-frequency mechanical vibrations
HASAN GÖKSENİN ÇETİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Nano-scale chemically modified thin film characterization for chemical mechanical planarization applications
Nano-boyutta kimyasal modifiye edilmiş ince filmlerin kimyasal-mekanik düzleştirme uygulamaları için karakterizasyonu
AYŞE KARAGÖZ
Doktora
İngilizce
2015
Mühendislik BilimleriÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜL BAHAR BAŞIM DOĞAN
- High performance multimaterial fibers and devices
Yüksek performanslı çoklu-malzemeli fiberler ve cihazlar
MEHMET GİRAYHAN SAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BAYINDIR