Çift yönlü hareket edebilen elektrotermal mikroaktüatörün tasarımı, analizi ve üretimi - Ertuğrul, İshak (My University, 2019)
Bu çalışmada, çift yönlü hareket edebilen elektrotermal mikroaktüatörün tasarım ve analizi yapılarak 3B yazıcı yöntemlerinden olan iki foton polimerizasyon (2PP) ile fabrikasyonu amaçlanmıştır. Geleneksel Mikro Elektro Mekanik Sistem (MEMS) yöntemleriyle üretilmesi mümkün olan aktüatörün 3B yazıcı ile üretilmesi bu çalışmada gerçekleştirilmiştir. Geleneksel MEMS yöntemlerinin yüksek maliyetli olması, zor ve fazla işlem gerektirmesi nedeniyle yeni üretim yöntemleri için birçok çalışma yapılmıştır. Bu üretim yöntemlerinden en çok kullanılan ve geliştirileni ise 2PP yöntemidir. Bu yöntem ile nano seviyesine kadar doğrudan üretim mümkün olmaktadır. Ayrıca geleneksel yöntemlerde kullanılan birçok kimyasal işlem 2PP temelli 3B yazıcılar sayesinde uygulanmayacaktır.Aktüatörün fabrikasyon işlemleri yapılmadan önce analitik ve nümerik analizleri yapılmıştır. Aktüatör sistemlerinin literatürdeki analitik modellemeleri geleneksel MEMS fabrikasyonları için yapılmıştır. Bu çalışmada, analitik modellemeler yani matematiksel denklemler 2PP tekniği için yeniden elde edilmiştir. Aktüatörün nümerik yani sonlu elemanlar analizleri ise MEMS için üretilen paket program ile yapılmıştır. Aktüatör sisteminin tasarım ve analiz işlemleri tamamlandıktan sonra sistemin fabrikasyonu yapılmıştır. Fabrikasyon işlemlerinin başarılı olması için tasarıma destekler eklenmiştir. Bu desteklerin sayısı ve ölçülerine göre birçok fabrikasyon deneyi yapılmıştır. Aktüatörün karakterizasyon işlemleri için görüntü işleme tekniği geliştirilmiştir. Normalde aktüatörün hareketinin ölçülmesi, probe istasyonlarına bağlı modüller olan sensör ve kamera sistemleriyle yani donanımsal işlemler ile yapılmaktadır. Ancak bu çalışmada aktüatöre verilen her bir gerilim değerleri fotoğraflanarak aktüatörün sıfır pozisyonuna göre yer değiştirmesi görüntü işleme tekniğiyle elde edilmiştir. Ayrıca geliştiren bu teknikle ekstra donanımsal maliyetler azaltmaktadır. Bu tez çalışması, tasarımın özgünlüğü, matematiksel modellemesi, fabrikasyon için kullanılan yöntem ve karakterizasyon işlemlerinde tercih edilen teknik bakımından literatüre katkı sağlayacağı düşünülmektedir.Karakterizasyon sonuçlarına göre aktüatöre 5V ile 7V arası gerilim uygulanması halinde her bir yöne maksimum 2.82µm hareket etmiştir. Ayrıca aktüatöre 7V’dan fazla gerilim verilmesi halinde ise kollarda kırılma ve bozulmalar oluşmuştur. Sonuç olarak, aktüatör tasarımı simetrik yapıda olduğu için aktüatörün maksimum hareketi 5.64µm’dir.

This study aims to design and analyze a bi-directionally movable electrothermal micro-actuator that has been fabricated using Two-Photon Polymerization (2PP), which is one of the 3D printing methods. The fabrication of actuator, which is also possible and realized in many different designs using conventional Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), is carried out using a 3D printer. Because of the high cost, difficult and excessive processing of traditional MEMS methods, many studies have been carried out in search of new fabrication methods. Among those fabrication methods, 2PP is the most widely used and developed method for fabrication. Using this method, it is possible to fabricate outright up to nanoscale. Also, many chemical processes used in conventional methods are not used by 2PP based 3D printers.Analytical and finite element analysis were performed before the fabrication of the actuator. A MATLAB program was used for analytical modeling. Analytical modeling of the actuator systems in the literature has been performed for the traditional MEMS fabrications. In this study, analytical models and mathematical equations were derived for the 2PP technique. The finite element analysis of the actuator is done by the MEMS toolbox present in the COMSOL program. The CAD design was done with both the Solid Edge program and the COMSOL program. The fabrication of the actuator system has been performed once the designing and analysis of the actuator system were completed. Supports for design has been added for successful fabrication operations. Several fabrication tests were performed for the number and dimensions of these supports. Image processing technique has been developed for the characterization of the actuator. Normally, the movement of the actuator is measured by sensor and camera systems which are modules connected to the probe stations. However, in this study, each voltage value given to the actuator was photographed and the displacement of the actuator according to zero position was obtained by the developed image processing technique. Image processing technique was developed using the MATLAB program. The hardware costs were also reduced because of this technique.According to the characterization results, the actuator moved a maximum of 2.82 µm in each direction when 5V to 7V of voltage was applied to it. Also, when more than 7V of voltage is applied to the actuator, breakage, and distortion in the arms has been observed.
Keywords: 2PP and Fabrication; 2PP ve Fabrikayon MEMS; Aktuator; Aktüatör; MEMS