Design and fabrication of piezoelectric energy harvesting micro devices for biomedical implants

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mikro ve Nanoteknoloji Anabilim Dalı, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2022

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: AZİZ KOYUNCUOĞLU

Danışman: HALUK KÜLAH

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

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.