|
Bu tez çalışmasında, mobil sistemlerde ısıdan enerji harmanlayan MEMS tabanlı termoelektrik enerji üreteçlerinin tasarımı, optimizasyonu, üretimi ve performans karakterizasyonu yapılmıştır. Konseptin doğrulanması amacıyla, Cr ve Ni metallerinin termoelektrik malzeme olarak kullanıldığı MEMS tabanlı termoelektrik mikrojeneratörler üretilmiştir. Ayrıca, son teknoloji termoelektrik malzemelerin tasarımda uygulanabilirliği değerlendirilmiştir.MEMS TE enerji üreteçleri, sıcaklık farkının nispeten daha düşük olacağı uygulamalara uygun olarak tasarlanmıştır. MEMS TE enerji üreteçlerinin performans analizi analitik modellerle ve 3 boyutta sonlu eleman simülasyonları vasıtasıyla yapılmıştır. Analitik hesaplardan maksimum gücün elde edilebileceği tasarım parametreleri belirlenmiş, ve üretilecek tasarımlar bu bilgilere göre yapılmıştır. MEMS fabrikasyonu için kullanılacak maskeler bu bilgiler ışığında çizilmiştir. Üretilen aygıtlar silicon pul üzerinde, SiO2/Si3N4 diyaframlar, Ni ve Cr termokupullar, ve test amacıyla üretilen Ti ısıtıcı ve monitör dirençlerden oluşmaktadır.MEMS TE çiplerin üretiminden sonra performans karakterizasyonu için testler yapılmıştır. Uygulama alanına göre sıcaklık farkları daha fazla veya daha az olabilir. Isı kaynağının 35 °C olduğu bir durumda (?T=10 °C), Cr ve Ni kullanılan MEMS TE enerji üreteçleri 1.1 µW/cm2 elektriksel güç sığası ve 1.71 V/cm2 voltaj üretebilir. Termoelektrik enerji çevrimi, termodinamik olarak Carnot çevrimi verimliliği ile sınırlıdır. Buna rağmen, sunulan MEMS TE tasarımı enerji sığası açısından literatürde sunulan örneklerle karşılaştırılabilecek durumdadır. Seebeck katsayısı yüksek termoelektrik malzemeler (p-Si, n-Si, polysilicon, Bi2Te3 vb.) kullanılması halinde, üretilen enerji sığasının (4.04 µW/K2cm2) bilgimiz dahilinde literatürde sunulan diğer termoelektrik üreteçlere üstünlük sağlayacağı yapılan hesaplamalarla öngörülmektedir. Ayrıca, sunulan TE üreteç tasarımı uygun bir paketlemeyle CPU üzerinden yayılan fazla ısıyı elektrik enerjisine dönüştürmeye uygundur. Üretim yöntemi, bazı değişikliklerle CMOS'a adapte edilebilir. Ayrıca yatay MEMS TE enerji üreteçleri titreşimden enerji harmanlama ile birleştirilerek çok kaynaklı enerji harmanlama gerçekleştirilebilir.İleriye yönelik bir çalışma olarak, güç sığasını daha da yükseltmek amacıyla dikey termoelektrik konfigürasyonları tasarlanmıştır. Hava ve su soğutmalı konfigürasyonlar için dikey TE jeneratörlerin performansı sonlu elemanlar yöntemi ile hesaplanmıştır. Dikey TE jeneratörlerin, 310 K sıcaklıktaki bir ısı kaynağı kullanıldığında 4.2 mW/cm2 güç üretebildiği hesaplanmıştır.
|
|
In this thesis design, optimization, fabrication and performance characterization of MEMS thermoelectric (TE) energy harvesters for harnessing waste heat in mobile systems are presented. As a proof of concept, chromium and nickel are used as the thermoelectric material in the proposed design. The feasibility of the state of the art thermoelectric materials is also discussed.MEMS TE energy harvesters proposed in this study are designed to generate power at relatively lower ?T values. The performance of the MEMS TE energy harvesters was optimized using analytical and 3-D finite element models. An analytical code was used for profiling the electrical power output with varying geometry. The design points with maximum generated power were selected, and the microfabricated thermoelectric energy harvesters were designed accordingly. The fabricated devices are formed on a silicon wafer and composed of Nickel and Chromium thermocouples on SiO2/Si3N4 diaphragms, and Titanium heater and monitor resistors for testing purposes.Microfabrication was followed by the performance characterization of MEMS TE energy harvesters with the conducted tests. For 10 °C temperature difference between the hot and cold junctions (a heat source at 35 °C), the proposed TE energy harvesters are capable of providing 1.1 µW/cm2 power density and 1.71 V voltage. The performance of the thermoelectric generators in general is limited by Carnot cycle efficiency. Nevertheless, the validated practical performance of MEMS TE energy harvesters proposed in this thesis is comparable to other examples in literature. It is anticipated by the calculations that this design will be able to provide the highest thermoelectric efficiency factor (4.04 µW/K2cm2) among the lateral TE energy harvesters if thermoelectric materials having high Seebeck coefficient values (such as p-Si, n-Si, polysilicon, Bi2Te3 etc.) are used. According to the performance results, the MEMS TE energy harvesters can be implemented in mobile systems to convert waste heat into electricity. The fabrication process can be adapted to CMOS with some modifications if needed. The lateral MEMS thermoelectric energy harvesters can also be combined with vibration energy harvesters to realize multi-mode energy scavenging.For prospective study, vertical thermoelectric generator configurations are also discussed in order to further increase the power density generated. The finite element simulations for proposed vertical configurations with air and water convection were completed. The vertical TE generators proposed can supply up to 4.2 mW/cm2 with a heat source at a temperature of 310 K. |
