2. Mikrosistem Teknolojileri ve MEMS
Mikroelektronik ve mikroçip teknolojisinde son 20-30 yıldaki atılım sonucunda yaşantı
şeklimiz çok etkilendi ve bugün küçük cep telefonları, bilgisayarlar ve internet hayatımızın
vazgeçilmez parçaları oldular. Bugün benzer bir atılımın, kısaca MEMS diye adlandırılan
Mikro Elektro Mekanik Sistemler adlı teknoloji sayesinde gerçekleşeceği beklenmektedir. Bu
teknoloji sayesinde mikroçipler üzerinde sadece mikroelektronik entegre devreler değil,
mikromekanik yapılar da yapılabilmektedir. Böylece hem mikroduyargalar (mikrosensör) ve
mikroeyleyiciler (microactuator) hem de elektronik devre bir çip içinde yapılabilmekte, yani
sistem fiyatı ve boyutları çip kadar ucuz ve çip kadar küçük olabilmektedir.
MEMS Teknolojisinin Uygulama Alanları
MEMS teknolojisinin uygulama alanları çok çeşitlidir ve bu teknolojinin hem askeri hem de
sivil kullanım alanları vardır. Otomotiv, biyomedikal, telekominikasyon, beyaz eşya ve bilişim
teknolojileri gibi birçok konuda MEMS teknolojisi sayesinde devrim niteliğinde gelişmeler
olmaya başlamıştır. Uygulama alanlarının genişliği, ucuz üretim potansiyeli, yüksek
performans elde edilebilmesinden dolayı, MEMS teknolojisi savunma endüstrisinin de ilgisini
çekmiştir. Bu konuda A.B.D. Savunma Bakanlığı’nın hazırladığı bir rapor, MEMS
teknolojilerinin savunma sanayiinde ne kadar geniş bir kullanım alanı bulacağını çok çarpıcı
bir şekilde ortaya koymuştur.
MEMS halen günlük hayatımıza girmiştir. Bugün otomotiv sektöründe kullanılan ve kaza
anını tesbit ederek hava yastıklarının açılması bilgisini üreten ivmeölçerler (accelerometer)
MEMS teknolojisi ile 3mmx3mm boyutlarındaki bir silisyum yonga üzerinde elektronik
devresi ile birlikte üretilebilmekte ve birkaç dolara mal olmaktadır. Bu sayede eskiden
sadece çok pahalı arabalarda olan hava yastıkları bugün birçok otomobilde
bulunabilmektedir. Bilgisayar yazıcılarındaki ucuzlama, bilgisayar hafızalarındaki ani artış da
MEMS teknolojisi ile olmuştur. Bu teknoloji ile fiber optik iletişimde veri aktarımı sırasında
anahtarlamanın daha hızlı olması için mikroaynalar geliştirilmektedir, böylece internet
iletişimi bugünkünün 20 katı kadar daha hızlı olabilecektir.
Ayrıca, vücut içine yerleştirilebilen ve sinir uçlarını uyararak görme ve duyma fonksiyonlarını
sağlayabilecek mikroelektrodlar, kan damarlarındaki tıkanıklıkları açabilecek mikromotorlar
veya kandaki şeker miktarını ölçerek vücut içinde bulunan insülini mikromusluk yardımı ile
kontrollü açarak vücudun iyileşmesini sağlayacak biyomedikal mikrocihazlar da MEMS ile
mümkün olacaktır. Bunların haricinde, günlük hayatımızı her alanda etkileyecek çok ucuz
mikrosistemler MEMS teknolojisi ile gerçekleştirilebilecektir.
Dolayısı ile mikroelektronik nasıl çağımızı etkilediyse ve yaşantımızı değiştirdiyse, MEMS
teknolojisinin de 21. Yüzyıl'ı benzer şekilde etkileyeceği düşünülmektedir. Hızlı bir ivme ile büyüyen
MEMS pazarının 2002 yılında 38 milyar dolara ulaştığı gözlemlenerek bu rakamın 2006 yılında ise 68
milyar dolara ulaştığı net raporlar ile belgelenmiştir.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
3. ODTÜ’de MEMS Çalışmaları
ODTÜ'de MEMS çalışmaları Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünde bulunan ODTÜ-MEMS Grubu
tarafından yürütülmektedir. Bu çalışmalar, Michigan Üniversitesi'nde yüksek lisans ve doktora
çalışmalarını tamamladıktan sonra 1995 yılında Türkiye'ye dönen Doç. Dr. Tayfun Akın tarafından
başlatmıştır. İlk önce NATO İstikrar için Bilim (NATO-SfS) Programı, ABD Ulusal Bilim Kurumu
(National Science Foundation, NSF) gibi uluslararası kuruluşlar tarafından desteklenen bu çalışmalar
daha sonra ulusal kuruluşların ilgisini çekmiştir.
ODTÜ'deki MEMS çalışmaları Milli Savunma Bakanlığı Ar-Ge ve Teknoloji Dairesi, TÜBİTAK, DPT,
Arçelik ve Aselsan tarafından desteklenmektedir. ODTÜ'de MEMS konusunda 2 doktora ve 17 yüksek
lisans tezi tamamlanmıştır ve şu anda devam eden 7 doktora ve 13 yüksek lisans tez çalışması
bulunmaktadır. Bu tezler ve projeler sayesinde ODTÜ'de MEMS konusunda çok önemli bir bilgi
birikimi ve araştırmacı kadrosu oluşmuştur. Ayrıca MEMS tasarımı konusunda ODTÜ'de her türlü
yazılım ve donanım altyapısı bulunmaktadır. ODTÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nde
oluşturulan 30 m2’lik küçük bir temizodada MEMS ve ileri yarıiletken malzemeler üzerine prototip
geliştirme çalışmaları yapılabilmektedir.
MEMS konusundaki çalışmaların endüstriyel bir boyuta taşınması için ODTÜ, TESTAŞ'a ait
olan, 40 milyon ABD doları yatırılmış fakat atıl duran bir mikroelektronik tesisini hükümetten
talep etmiştir. Bu tesisler 1998 yılında Özelleştirme Yüksek Kurulu tarafından ODTÜ'ye
devredilmiştir. ODTÜ-Mikroelektronik Tesisleri veya kısaca ODTÜ-MET adını alan bu tesislerin
MEMS teknolojisi geliştirmesi ve endüstriyel ürünler üretmesi için altyapısının MEMS’e
uygun bir şekilde geliştirilmesi gerekmektedir. MEMS altyapısı için gereken finansmanın
önemli bir kısmı, 2002 yılında başlayan bir DPT projesi sayesinde sağlanmıştır.
Tesislere alınan yeni bir litografi cihazı ile 4 inç ve 6 inç çaplı silisyum disklerde mikromekanik
hatların 1m’nin altında bir hassasiyet ile oluşturulması mümkün olabilmektedir. MEMS için
gerekli çok kritik diğer bazı cihazlar da DPT tarafından desteklenen proje sayesinde alım
aşamasındadır. Bunlardan MEMS Derin Kuru Aşındırma Cihazı’nın alımı tamamlanmış ve
çalışmaya başlamıştır. Bu cihaz Türkiye’de birtek ODTÜ-MET’de bulunmaktadır ve çok hassas
üç boyutlu mikromekanik yapılar yapılabilmektedir. ODTÜ-MET’te geliştirilen altyapının
endüstriyel boyutlarda üretim yapmak üzere kullanılabilmesi için yurtiçi ve yurtdışı firmalar
ile yoğun temaslar sürmektedir.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
4. Atatürk’ün 3 boyutlu mikro imzası. İmza’nın genişliği saç çapı boyutlarındadır. Bu imza
ODTÜ’ye DPT desteği ile alınan ve Türkiye’de tek olan MEMS Derin Kuru Aşındırma Cihazı ile
üretilmiştir.
ODTÜ’de üretilen 3 boyutlu mikro Türk Bayrağı. Bayrağın boyutu saç çapı ile orantılıdır.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
5. ODTÜ’de Geliştirilen MEMS Ürünleri
ODTÜ'de MEMS teknolojisi ile hem askeri hem de sivil kulanım alanı olan ürünler
geliştirilmektedir. Bu ürünlerden iki tanesi kritik teknolojidir ve savunma sanayinin dışa
bağımlılığını azaltmak için kullanılabilecektir. Bunlardan birincisi çok ucuz maliyeti olan ve
oda sıcaklığında çalışabilen gece görüş amaçlı soğutmasız kızılötesi detektörlerdir. Bu
detektörler, CMOS üretiminden gelmiş çiplerin silisyum mikroişleme teknolojileri ile kimyasal
işleme tutulması ile elde edilebilmektedir. Üretim yöntemi CMOS tabanlı olduğundan,
detektör dizinlerinin fiyatları çok ucuza gelebilmektedir. Gece görüş amaçlı geliştirilen bu
detektörlerin savunma amaçlı olamayan bir çok endüstriyel uygulama alanı da
bulunmaktadır.
Kritik teknoloji ile geliştirilen ikinci ürün mikroişlenmiş dönüölçerlerdir. Jiroskop diye de
bilinen dönüölçerler açısal dönmeyi ölçen aletlerdir ve bir çok askeri uygulamada kullanım
yeri bulmaktadır. ODTÜ'de tasarlanarak ilk aşamada yurtdışında ürettirilen dönüölçerler
Avrupa'daki bir yarışmada birincilik ödülü kazanmıştır. Bu yarışma 2001 yılında DATE (Design,
Automation, and Test in Europe) adlı konferans ile Fransadaki CMP adlı mikroelektronik
merkezi tarafından üniversitelerde MEMS ve mikronalti CMOS entegre devre tasarımı gibi
ileri teknolojilerde araştırma ve geliştirmeyi teşvik etmek amacıyla düzenlenmiştir.
ODTÜ’de yapılan bir başka dönüölçer tasarımı ise ABD'de bulunan MEMGen adlı şirketin
2003 yılında düzenlediği "3-D MEMS Design Challenge" adlı yarışmasında 25 ülkeden yapılan
132 başvuru arasında üçüncülük ödülünü kazanmıştır. ODTÜ’de önceleri sadece tasarımları
yapılan dönüölçerler, üretim teknolojilerinin de ODTÜ'de geliştirilmesi ile tamamiyle
ülkemizde üretilebilir hale gelmiştir. Dönüölçerlerin de otomotiv sanayii gibi diğer uygulama
alanları mevcuttur ve bazı otomotiv şirketleri ODTÜ'deki MEMS çalışmalarına bu amaçla ilgi
göstermektedir. Halen ODTÜ'de geliştirilen üçüncü endüstiyel ürün, beyaz eşyalarda
kullanılabilecek olan basınç ve sıcaklık duyarga modülüdür.
Bunların dışında, nem duyargası ve RF MEMS devre elemanları (anahtarlar, faz kaydırıcılar,
faz dizili antenler) gibi diğer ürünler de ODTÜ’de geliştirilmektedir. Bu ürünlerin endüstiyel
boyutta üretimi ODTÜ-MET tesislerinin altyapısının geliştirilmesi ile mümkün olabilecektir ve
halen bu yönde çabalar devam etmektedir. Bunun gerçekleşmesi durumunda, hem 40
Milyon A.B.D. doları harcanmış tesisler ekonomik olarak kullanılabilir hale gelecektir, hem de
mikroelektronik üretimi konusunda dünyada hiçbir söz sahibi olamayan Türkiye
mikroelektroniğe benzer bir potansiyeli olan MEMS konusunda dünya ekonomisinde bir yer
edinebilecektir.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
6. kollar
ısıl emici
n-kuyu
detektör
Aşındırılmış bölge
Gece görüş kameralarında kullanılmak üzere CMOS ve MEMS teknolojisi ile gerçekleştirilmiş
soğutmasız kızılötesi detektör dizini. Havadaki mikroköprü yapıları kızılötesi ışığı soğurarak
n-kuyu yapıların sıcaklığını artırmaktadır. Her bir mikroköprü yapısı saç çapından küçük bir
bölgeye sığmaktadır.
MEMS teknolojisi ile geliştirilmiş mikrojiroskop. Bu çalışma Avrupa'da düzenlenen bir
yarışmanın mikrosistemler kategorisinde birincilik ödülü almıştır. Parmak yapılarının
boyutları 2 mikrometre kadar hassas yapılabilmektedir (saç çapı yaklaşık 100 mikrometredir).
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
7. ODTÜ-MET’deki altyapının geliştirilmesinden sonra üretilebilen 200 mikrometre yüksekliğinde
ve 5 mikrometre genişliğindeki mikromekanik yapılar. MEMS Derin Kuru Aşındırma Cihazı ile
üretilen bu yapılar hareket edebilmektedir ve dönüölçer ve ivmeölçerlerin
gerçekleştirilmesinde kullanılmaktadır.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
8. MEMS teknolojisi ile yapılmış bir mikromotoru tutan bir karınca. Bu resim MEMS teknolojisi
ile yapılan mikromekanik yapıların hassasiyetini göstermektedir. Yapı Almanya'da geliştirilen
LIGA diye adlandırılan yöntemi ile üretilmiştir.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
9. ÖYK kararı ile ODTÜ'ye devredilen ODTÜ-MET tesislerinden bir görüntü. Tesisler
yurdumuzdaki ilk ve tek mikroelektronik üretim yatırımıdır ve şu ana kadar 40 Milyon A.B.D.
doları aşkın bir yatırım harcaması yapılmıştır. ODTÜ şu ana kadar atıl kalan bu tesisleri
göreceli olarak az bir ek yatırımla MEMS teknolojisi için kullanmayı ve ekonomimize
kazandırmayı hedeflemektedir.
ODTÜ-MET tesislerinde beyazeşya ürünleri
için geliştirilen basınç ve sıcaklık duyarga
modülü. Soldaki resim silisyum çipin arkadan
görüntüsünü ve diyaframın nasıl
oluşturulduğunu göstermektedir. Sağdaki
resim duyarda çipin nasıl paketlendiğini
göstermektedir.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr
10. ODTÜ-MEMS grubu tarafından geliştirilen kapasitif basınç duyargalarının bir parmak
üzerindeki resmi. Resimde 12 tanesi yanyana duran bu duyargalar, damarların içine
girebilecek kadar küçüktür ve kan basıncını ölçmek için kullanılabilir.
Ufuk Kılıç
www.ufukkilic.com.tr