Y. Doç. Dr. Haluk Külah, ODTÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Prof. Dr. Tuna Balkan, ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü
İbrahim Sarı, ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü

I. Giriş
Son dönemlerde gitgide popüler olan MEMS teknolojisi sayesinde yüksek performanslı algılayıcılar (nem, sıcaklık, basınç, sarsıntı vs. algılayıcıları) gayet düşük maliyetlerle üretilebilmekte ve bir yonga alanına birden fazla algılayıcı yerleştirilebilmektedir. Bu algılayıcıların silisyum üzerinde geliştirilmesi de; CMOS elektronik devrelerle bütünleştirilmelerini sağlayarak karmaşık işleme devreleri ile beraber çalışmalarını mümkün kılmakta, başka bir deyişle akıllı algılayıcı sistemlerinin (smart sensor systems) yapılmasına imkan vermektedir. MEMS’in yanı sıra gelişen kablosuz iletişim (Wireless Networking) teknolojisi de; bu algılayıcıların dış dünya ile iletişimlerini kolaylaştırmakta ve kablosuz çalışmalarına izin vererek; başta çevresel gözlem olmak üzere pek çok askeri ve sivil uygulamada yeni kullanım alanları yaratmaktadır. Bunun yanı sıra, MEMS teknolojisiyle beraber günlük hayatımızda kullandığımız birçok elektronik cihaz (cep telefonları, avuç içi bilgisayarlar, müzik çalarlar, vs.) artık daha küçük boyutlarda üretilebilmekte ve çalışmak için daha az enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Ancak bu sistemlerin çalışması için gerekli olan enerjinin sağlanması, sistem performansını sınırlayan önemli bir faktör olarak, sorun yaratmaktadır.  Örnek olarak; bugün bir cep telefonu bataryası, cep telefonunun toplam hacim ve ağırlığının büyük bir kısmını oluşturmaktadır.

Enerji üreteçlerindeki gelişmeleri mikro-sistemlerin gelişimine uygun hale getirmek amacıyla son yıllarda ticari piller ve alternatif enerji üreteçleri (mikro yakıt hücreleri, çevresel enerji kaynaklarından [ısı, ışık, sarsıntı, akustik, vs.] elektrik enerjisi üreten üreteçler) üzerine yapılan araştırmalar hız kazanmıştır. Mikro-sistemlerin boyutu göz önüne alındığında, ticari pillerle enerji sağlanması pratik bir çözüm değildir. Ticari pillerde kullanılan prensiple mikroboyutta pil yapılması halinde de hem sağlanan enerji hem de pilin ömrü önemli ölçüde azalmakta, algılayıcı sisteminin kullanım süresi de kısıtlanmaktadır. Mikro pillere (Şekil 1) kıyasla çok daha fazla enerji üretimi sağlayan mikro yakıt hücreleri (Şekil 1) ise yine sınırlı bir süre için enerji sağlayabilmekte ve periyodik yenilenme gerektirmektedirler. Bu da çevresel atık ve şarj edilme zorunluluğu gibi problemleri beraberinde getirmektedir.

         
Şekil 1. Mikropiller (Seiko Instruments Inc.) ve bir yakıt hücresi (Fraunhofer ISE)

Diğer taraftan çevresel enerji kaynakları (ısı, ışık, çevresel sarsıntı, akustik, vs.) hali hazırda etrafımızda kolay ulaşılabilen, temiz enerji kaynaklarıdır ve günümüzde sıkça kullanılmaktadır. Örneğin Şekil 2’de Seiko’nun geliştirdiği bir termal kol saati gösterilmektedir. Bu saat insan vücudunun yaydığı ısı enerjisiyle çalışmaktadır. Çevresel enerji kaynakları içinde, sarsıntı, her ortamda bulunabilir olmasından dolayı ayrı bir önem taşımaktadır.  Kalabalık bir yol kenarında bulunan pencerelerdeki sarsıntı, insan vücudunun hareketi, herhangi bir motorun ya da otomobilin yüzeyindeki sarsıntı çevresel sarsıntılara sadece bir kaç örnektir. Bugüne kadar sarsıntıdan mikroçip seviyesinde enerji üretmek üzere piezoelektrik, elektrostatik ve elektromanyetik çevirim yöntemleri sunulmuştur. MEMS teknolojisi kullanarak çevresel sarsıntıyı elektriksel enerjiye çevirebilen çok küçük boyutlarda enerji üreteçleri yapılabilmektedir.

Şekil 2. Bir termal kol saati (Seiko Thermic Watch)

II. ODTÜ MEMS Grubunda Üretilen Mikro Enerji Üreteçleri
Bu araştırma projesinin amacı; MEMS teknolojisi kullanarak çevresel titreşimlerden, yani hareket enerjisinden, elektriksel enerji üretebilen yapılar geliştirmektir. Bu yapılar Şekil 3’te gösterildiği gibi rezonans bir kol, bu kol üzerindeki metal sarımlar ve sabit bir mıknatıstan oluşmaktadır. Rezonans kol ve üzerindeki metal sarımlar, çevresel titreşimlerle, sabit mıknatısa göre hareket ederek elektriksel enerji üretmektedir. Üretilen enerji, bu kollardan birden fazla yapılarak, seri olarak bağlanmasıyla artırılabilir.

Şekil 3. Bir enerji üretecinin çalışma şekli

Ortadoğu Teknik Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği bünyesindeki MEMS grubunda bu amaçla üretilen ve test edilen mikro işlenmiş yapılardan biri Şekil 4’te gösterilmektedir.

Şekil 4. ODTÜ MEMS grubu tarafından geliştirilen bir mikro enerji üreteci

Bu yapıda, üzerinde bir saç telinin 10’da 1’i (10 µm) genişliğinde ve 1000’de 1’i (100 nm) kalınlığında altın metal sarımlar olan, yaklaşık 15 µm kalınlığında rezonans kollar bulunmaktadır. Rezonans kolların ortasındaki bölgeye ise bir mıknatıs yerleştirilmiştir.  Ortamda varolan titreşimler, bu yapı üzerinde bulunan rezonans kolları harekete geçirmekte ve metal sarımlar mıknatısa karşı titreşmektedir. Sonuç olarak elektromanyetik indükleme yöntemiyle elektriksel enerji açığa çıkmaktadır. Üretilen bu enerji, ihtiyaç duyulduğunda kullanılmak üzere, bir kapasitör üzerinde depolanabilir. Ayrıca yapının, boyutları (8x9.5x0.5 mm) ve ağırlığı (200 mg) göz önüne alındığında, özellikle mikro algılayıcılar, kablosuz iletişim ve çevresel gözlem gibi bir çok sistem için uygun olduğu görülmektedir. Bu sayede tamamen kendine yetebilen ve dışarıdan hiçbir müdahale olmaksızın çalışabilen sistemleri geliştirmek mümkün olacaktır.

Sunulan bu yöntemdeki temel sorun, elde edilen enerjinin çevresel sarsıntı frekansına bağımlı olması ve özellikle 1-10Hz arasında güç üretiminin nanowatt seviyesinde olmasıdır. Ancak bu frekans aralığı çevresel sarsıntının en yoğun olduğu aralıktır. Örnek olarak, algılayıcı sisteminin bir kol saatine yerleştirilmesi ve enerjisinin kol hareketlerinden kaynaklanan sarsıntıyla elde edilecek olması halinde literatürde sunulan yapılar bir çözüm olamamaktadır.  ODTÜ MEMS grubunda geliştirilen ve üretilen bir başka enerji üreteci tasarımı da Şekil 5’te gösterilmiştir. Bu yapıda, “Frekans çevirim yöntemi” olarak isimlendirilen bir teknik kullanılarak, çevresel titreşim frekansı, çok daha yüksek frekanslı bir harekete dönüştürülmektedir. Bu sayede benzer enerji üreteçlerinin verimliliği önemli ölçüde artırılmıştır. Önerilen tasarım Şekil 6’da görüldüğü gibi iki alt parçadan oluşmaktadır.

Şekil 5. Frekans çevirimi ile çalışan enerji üreteci

Şekil 6. Frekans çevirimi tasarımının üretilmiş alt parçaları

Parçalardan biri yukarıda açıklanan yapıya çok benzemektedir ve sistemin tabanına yerleştirilmiştir. Diğer yapı ise üzerinde mıknatıs bulunan bir diyaframdır. Bu diyafram düşük frekanslı çevresel titreşimlerle salınmakta ve belirli aralıklarla hemen altında bulunan rezonans kolları periyodik olarak yakalayıp bırakmaktadır. Yakalama işlemi, kolların uçlarında bulunan manyetik metaller sayesinde gerçekleştirilmektedir. Rezonans kollar serbest kaldığında, kendi doğal frekanslarında salınarak, elektriksel enerji üretmektedir. Bu kolların doğal frekansı çok yüksek olduğundan, aynı ortam şartlarında çalışan benzer bir standart enerji üretecine göre çok daha fazla enerji üretebilmektedir. Şekil 7’de, önerilen bu yapının parçaları ve üretilmiş prototip görülmektedir. Verilen şekilde; diyafram-mıknatıs yapısı, rezonans kolların bulunduğu taban, bu iki parça arasındaki mesafeyi ayarlayan ayraç ve bu üç yapının bir araya getirilmesiyle elde edilen prototip görülmektedir. Üretilen bu yapının testleri yapılarak önerilen yöntemin geçerliliği gösterilmiştir.

Şekil 7. Frekans çevirim tasarımı prototipi

III. Sonuç
MEMS tabanlı enerji üreteçleri dünyada çok yeni bir konu olup üzerinde yoğun olarak çalışılmaktadır. Özellikle MEMS algılayıcıların gelişmesiyle enerji sorunu daha da belirginleşmiştir. MEMS tabanlı enerji üreteçleri; gelişen MEMS algılayıcıların kendi başlarına çalışmasına olanak tanıyacağı gibi kullanım alanlarını da önemli ölçüde genişletecektir. Her ne kadar günümüzde bu konuda yapılmış çalışmalar olsa da üretilen enerji seviyeleri MEMS algılayıcılarını tam anlamıyla kendi başlarına çalıştıracak düzeyde değildir. Bu proje ile “Frekans çevirim yöntemi” gibi yeni teknikler geliştirilerek üretilen enerji seviyelerinin artırılması hedeflenmektedir. Üretilen bu enerji, uygun elektronik devreler kullanılarak, örneğin MEMS algılayıcıların ya da çevresel gözlem sistemlerinin çalıştırılmasına yardımcı olabilir. Bu sayede tamamen temiz ve çevresel bir enerji üretimi gerçekleştirilmektedir. İleride bu tür enerji üreteçleri kullanılarak, cep telefonları ve kol saatleri gibi, günlük hayatımızda kullanılan bir çok cihazın pil ömrünün uzatılması ve hatta tüm enerji ihtiyacının giderilmesi mümkün olabilecektir.

(*) Bu çalışma TÜBİTAK 104E119 no’lu proje ile desteklenmektedir.