Le Titano-Zirconate de Plomb, ou PZT est un matériau piézoélectrique présentant de très bonnes performances pour l'actionnement des microsystèmes. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de répondre à la problématique de l'intégration du PZT par dépôt sol-gel. Dans une première partie, nous présenterons l'état de l'art des MEMS piézoélectriques et du PZT. Dans une seconde partie, nous montrerons comment obtenir des couches minces de PZT orientées (100) et (1111) de façon homogène, pour une des épaisseurs de 100 nm à 2µm. Dans une troisième partie, nous comparerons les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques des films, en fonction de l'orientation. Pour l'orientation (100), nous avons pu mesurer un coefficient d31 supérieur à -150 pm/V et un coefficient e31,f de -16 C/m2. Pour l'orientation (111), nous avons mesuré un d31 de -100 pm/V et un e31,f de -14 C/m2. Pour expliquer les différences observées, nous avons également abordé le problème du blocage des parois de domaines. Dans une quatrième partie, nous présentons la fabrication et la caractérisation d'un interrupteur MEMS radiofréquences packagé et stabilisé en température fonctionnant à basse tension. A l'état bloqué, il présente une isolation de -44 dB à 2 GHz. A l'état passant, il présente des pertes d'insertion de -0.74 dB à 2 GHz. Dans cette partie, nous présentons également l'intégration d'une jauge de contraintes dans un actionneur piézoélectrique. Dans la dernière partie, nous présentons l'intégration de nos procédés dans des membranes sans dégradation des performances. Une étude préliminaire de fiabilité est également menée. Le mécanisme conduisant à la dégradation de nos composants est lié au vieillissement du matériau, ce qui montre que notre procédé de dépôt est maitrisé de façon homogène sur des substrats 200 mm. / PZT is a piezoelectric material which exhibits very good performances for microsystems actuation. In this work, the problem of sol-gel deposited PZT integration is discussed. First, state of the art of piezoelectric MEMS and PZT is presented. Then, the fabrication of homogeneous (100) and (111) oriented PZT thin films is presented. Layers thicknesses are comprised between 100 nm and 2 µm. Thirdly, ferroelectric and piezoelectric properties of the two oriented thin films are compared. For (100) oriented films, the d31 piezoelectric coefficient was greater than -150 pm/V and the e31,f reaches -16 C/m2. For (111) oriented films, the d31 and e31,f reach -100 pm/V and -14 C/m2 respectively. To explain observed differences, domain walls pinning was studied. Next, fabrication and characterization of a low voltage, fully packaged and thermally stabilized RF MEMS piezoelectric switch is presented. At the off-state, the switch isolation is -44 dB at 2 GHz. At the on-state, insertion losses are -0.74 dB at 2 GHz. The integration of a metallic gauge in a piezoelectric cantilever is also presented. Finally, developed processes are integrated in membranes fabrication without any degradation. A preliminary reliability study is presented. The fail mechanism of our components is an aging mechanism. This shows that our sol-gel deposition process is well-controlled on 8 inches wafers.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-09-24Bitstream added on 2014-06-13T20:55:55Z : No. of bitstreams: 1 bueno_dd_me_ilha.pdf: 2346457 bytes, checksum: 53a7ababeeced81edd91bb8ef04b1c0f (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta o projeto do regulador linear quadrático (LQR – do inglês Linear Quadratic Regulator) para atenuar vibrações em estruturas mecânicas. Estas estruturas, com atuadores e sensores acoplados, são denominadas estruturas inteligentes. Os projetos de controladores ativos são resolvidos utilizando desigualdades matriciais lineares (LMIs – do inglês Linear Matrix Inequalities). Assim, é possível projetar controladores robustos considerando incertezas paramétricas na planta a ser controlada. São utilizados atuadores e sensores piezelétricos (PZTs) para aplicações em estruturas flexíveis dos tipos vigas e placas e, também, atuadores de pilha para aplicações em estruturas do tipo treliça. O problema do posicionamento ótimo dos atuadores e sensores piezelétricos também é resolvido utilizando as normas de sistemas H2, H , Hankel e as matrizes grammianas de observabilidade e controlabilidade. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos e, também, utilizando o Método de Identificação de Subespaços através de dados experimentais. O problema de posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas e experimentais. Os resultados mostram que os controladores robustos aumentam o amortecimento estrutural minimizando as amplitudes de vibração. / This work presents the Linear Quadratic Regulator design to vibration attenuation in mechanical structures. These structures are named Smart Structures because they use actuators and sensors electromechanically coupled. Active controller designs are solved using Linear Matrix Inequalities. So, it is possible to consider polytopic uncertainties. Piezoelectric actuators and sensors are used for applications in flexible structures as beams and plates and, also, stack actuators for applications in truss structures. Optimal placement problem of piezoelectric actuators and sensors also solved using H2, H , Hankel system norms and controllability and observability grammian matrices. The mathematical model of the smart structure is obtained through Finite Element Method and, also, through Numerical State Space of Subspace System Identification (Subspace Method) by experimental data. The optimal placement of actuator and sensor and the active vibration control is numerically and experimentally implemented. Results show that the robust controllers increase the structural damping minimizing magnitude of vibrations.

Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-27T13:03:39Z No. of bitstreams: 1 ANGELO EMILIAVACA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 5881090 bytes, checksum: 6d09fd532b88ebec2b8684dfb0e6455f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-27T13:03:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANGELO EMILIAVACA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 5881090 bytes, checksum: 6d09fd532b88ebec2b8684dfb0e6455f (MD5) Previous issue date: 2016-02-04 / CNPq / O desenvolvimento da indústria aeronáutica tem provocado alterações significativas nos conceitos atualmente aplicados em aeronaves, sejam elas para fins civis ou militares. Estas mudanças são, em parte, consequência da conscientização ambiental que tem pressionado as indústrias a produzirem aeronaves mais eficientes e menos poluidoras para continuarem competitivas. O impacto destas mudanças sobre o projeto e construção de aeronaves é a busca incessante por conceitos que aumentem a eficiência das aeronaves em um maior espectro de voo sem impactar a segurança e confiabilidade destes sistemas. Neste contexto surge o conceito de aeronaves adaptativas, capazes de se adaptar ao fluxo por mudanças aerodinâmicas sem comprometer a segurança do voo. Um dos conceitos usados em aeronaves adaptativas é o de asa adaptativa, com possibilidade de variação da curvatura do perfil aerodinâmico, o qual é adotado neste trabalho. Estas estruturas apresentam algumas limitações que ainda precisam ser desenvolvidas, como o sistema de atuação, sistema de controle e mecânica estrutural associada à mudança de forma. Baseado nestes aspectos, este trabalho descreve o desenvolvimento de um novo conceito de asa adaptativa, acionada por atuadores do tipo micromolas de liga com memória de forma (LMF). O protótipo desenvolvido, denominado de SMArt Morphing Wing, teve sua estrutura mecânica construída em polímero ABS por impressão 3D e um sistema de “pele” de recobrimento feito em chapa fina de acetato. O protótipo foi testado em vazio e sob carregamento aerodinâmico em túnel de vento, para avaliar a influência da pele e a resposta dos atuadores de LMF sob carga. Nos testes em vazio foram avaliadas as deflexões angulares máximas do protótipo com e sem pele, enquanto que nos testes sob carregamento aerodinâmico entre 6 m/s e 14 m/s, foram avaliadas as deflexões máximas e as forças de arrasto e de sustentação. Adicionalmente, usando a ferramenta computacional ANSYS® CFD, foram feitas análises teóricas do comportamento aerodinâmico do protótipo na condição mais crítica de deflexão e velocidade. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais obtidos em túnel de vento revelaram uma boa concordância, confirmando a eficiência do protótipo desenvolvido. / The development of the aeronautic industry has caused significant changes in concepts currently applied in aircraft either for civil or military purposes. These changes are partly due to environmental awareness that has pushed the industry to produce more efficient and less polluting aircraft to remain competitive. The result of these changes on design and construction of aircraft is the incessant search for concepts that increase the efficiency of aircraft in a broader flight range without impacting on the safety and reliability of these systems. In this context arises the concept of adaptive aircraft, which are able to adapt to the flow of aerodynamic changes without compromising flight safety. One of the concepts of morphing aircraft is the morphing wing, with the possibility of variation airfoil camber, which is used in this work. These structures have some limitations that need to be developed as the actuation system, control system and structural mechanics associated with the shape change. Based on these aspects, this work describes the development of a new concept of adaptive wing, driven by shape memory alloy (SMA) micro coil springs like actuator. The prototype, called SMArt Morphing Wing, had its mechanical structure built in ABS polymer for 3D printing and a system of "skin" made of thin sheet of acetate. The prototype was tested unloaded and under aerodynamic loading on the wind tunnel, to evaluate the influence of the skin and the response of SMA actuators under load. In the no load tests were evaluated the maximum angular deflection of the prototype with and without skin, whereas in tests under aerodynamic loading between 6m/s and 14m/s, the maximum deflection, drag and lift forces were evaluated. Additionally, using the computational tool ANSYS® CFD, theoretical analyses of the aerodynamic behavior of the prototype in the most critical condition deflection and speed they were made. The comparison between the numerical and experimental results obtained in wind tunnel showed good agreement, confirming the efficiency of the developed prototype.

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Amarildo Tabone Paschoalini / Banca: Marcelo Areias Trindade / Resumo: Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de técnicas para o monitoramento da integridade estrutural em sistemas inteligentes com sensores e atuadores piezelétricos acoplados. Os índices de sensibilidade estudados e utilizados no monitoramento da estrutura são: índice de falha métrica, calculado diretamente do sinal de impedância elétrica dos sensores/atuadores piezelétricos; índices do sensor, calculados com as normas de sistemas ou com as matrizes grammiana de observabilidade e os índices de entrada, calculados com as matrizes grammianas de controlabilidade. Tais índices são utilizados para detectar e localizar as falhas em aplicações numéricas e experimentais. As normas de sistemas e as matrizes grammianas de controlabilidade e observabilidade são obtidas através de um modelo numérico, como por exemplo, Método dos Elementos Finitos; ou um modelo identificado experimentalmente, via o método de realização para autossistemas, mais conhecido como ERA (Eigensytem Realization Algorithm). Em uma segunda etapa do procedimento proposto, as falhas são quantificadas utilizando Redes Neurais Artificiais, que foram treinadas com as normas de sistemas e com as matrizes grammianas. / Abstract: This work presents the study and development of Structural Health Monitoring techniques for application in intelligent systems with coupled piezoelectric sensors and actuators. The indices of sensitivity for structural monitoring are based on: root-means-square deviation index, directly calculated from electric impedance signal of the piezoelectric sensors/actuators; sensor indices, calculated from system norms or observability grammian matrix, and input index, calculated from controllability grammian matrix. Such indices are used for damage detection and location in numerical and experimental applications. System norms, controllability and observability grammian matrices are obtained through numerical model, as for instance, Finite Element Method; or by experimental identification technique, via Eigensytem Realization Algorithm (ERA). In the second stage of the proposed procedure, damages were quantified using Artificial Neural Networks, that were trained with systems norms and grammian matrices. / Mestre

This thesis work was conducted in the Department of Mechanical Engineering at the Cape Peninsula University of Technology (CPUT) and was submitted towards the partial fulfilment of the Masters Degree in Technology: Mechanical Engineering. / Recent years have witnessed a tremendous growth and significant advances in “smart” composites and “smart” composite structures. These smart composites integrate active elements such as sensors and actuators into a host structure to create improved or new functionalities through a clever choice of the active elements and/or a proper design of the structure. Such composites are able to sense a change in the environment and make a useful response by using an external feedback control system. Depending on their applications, smart composites usually make use of either the joint properties of the structure or the properties of the individual elements within the composites. The accumulation in the understanding of materials science and the rapid developments in computational capabilities have provided an even wider framework for the implementation of multi-functionality in composites and make “smart” composites “intelligent”.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work deals with active vibration control of flexible rotors. Vibratory control behavior of a horizontal rotor containing two disks and suported by bearings on its extremities was studies numericaly and experimentaly. Numerical simulations was perfomaded using Finite Element Method (FEM). The target control was to atenuate the vibration of first 4 bending modes by using of a Linear Quadratic Regualdor. A modal method was required to reduce the model size and make the model controllable. A state observer estimated the modal state coordenates necessary to model method. The control forces were applied over the structure by piezeletric stack actuators. These actuators were orthogonally arranged in control plane locatted in one of bearings bearings of the rotor. The experimental identification of stiffness of active bearings compoments and MEF model ajust was carrifully conducted. The sucsses of metholody was intrically related to this work part, that has allowed the accured calculation of the contol force. Experiments were carried out in a rotor test rig. Optimal modal Controller performance has been tested to various operation conditions and differents excitation forces, like rotor at rest, steady state rotation and transiente rotation. Numerical and experimental results attest the sucsses of control strategy and shows the potentiality of stack piezelectric actuators in the active vibration control to rotordynamics field. / Este trabalho trata do controle ativo de vibração de rotores flexíveis. Um rotor horizontal de dois discos apoiado em dois mancais em suas extremidades foi estudo no que tange o aspecto de controle, tanto no âmbito numérico como experimental. As simulações numéricas foram feitas empregando-se o Método dos Elementos Finitos (MEF). Um controlador ótimo do tipo Regulador Quadrático Linear foi utilizado para atenuar as vibrações dos 4 primeiros modos de flexão do rotor. Empregou-se um método modal para reduzir o tamanho modelo e torná-lo então controlável. O uso de tal método gerou a necessidade de se estimar os estados modais através de um observador de estados. O tipo de atuador escolhido para aplicar a força de controle sobre a estrutura foi um atuador piezelétrico do tipo pilha (piezeletric stack actuator). Os atuadores foram dispostos ortogonalmente num plano de controle localizado num dos mancais do rotor. A determinação experimental da rigidez dos elementos que componham o mancal ativo, onde se localizava os atuadores, e o ajuste destes valores no MEF foi etapa conduzida cuidadosa. O sucesso da metodologia de controle se atribui em grande parte a esta etapa que permitiu um cálculo preciso da força de controle. As simulações foram feitas numa bancada experimental devidamente instrumentada para os testes. A performance do controlador modal ótimo foi testada para diversas condições de funcionamento do rotor em questão e diferentes fontes excitação. A saber: Rotor em repouso, rotor em regime de rotação permanente, rotor em regime de rotação transiente. Os resultados obtidos, tanto numéricos como experimentais, mostram o sucesso da metodologia empregada e as potencialidades do uso do tipo de atuador aqui empregado para o campo do controle ativo de vibração de rotores. / Doutor em Engenharia Mecânica

Com o aperfeiçoamento de materiais compósitos de alto desempenho, surge a possibilidade do desenvolvimento de estruturas inteligentes, onde atuadores e sensores piezelétricos estão integrados na estrutura com sistemas de controle adequados para a atenuação de vibrações. Projetos multidisciplinares se tornam cada vez mais complexos e sofisticados, envolvendo diversas fontes de incertezas que devem ser analisadas e quantificadas. O escopo principal desse trabalho visa o estudo da propagação de incertezas em estruturas de materiais compósitos laminados com atuadores e sensores piezelétricos, onde entradas e parâmetros do projeto podem ser fontes aleatórias e/ou nebulosas. Para atingir esse objetivo é adotada a metodologia fuzzy, com a aplicação de otimização de cortes-α. Essa técnica é utilizada na presença de informações vagas ou imprecisas acerca da aleatoriedade presente. Nesse estudo projetam-se, através do método dos elementos finitos, estruturas em forma de placa e casca de material compósito laminado com atuadores e sensores piezelétricos acoplados, controlados pelos reguladores Linear Quadratic Regulator (LQR) e Linear Quadratic Gaussian (LQG). Inicialmente são realizados estudos de otimização para encontrar a melhor localização dos componentes piezelétricos pelos Gramianos de controlabilidade e observabilidade, assim como os fatores de ponderação das leis de controle. O desenvolvimento é realizado no espaço modal reduzido visando um melhor desempenho computacional. As métricas escolhidas para avaliação do controle de vibração e análise das saídas incertas do sistema são baseadas nas energias cinética, potencial e elétrica. Também apresentam-se estudos de envelopes relacionados ao deslocamentos e às frequências naturais da estrutura devido às incertezas. Os resultados mostraram que as otimizações por corte-α para tratar números fuzzy nesse tipo de problema são robustas e eficientes, encontrando-se valores extremos das saídas desejadas. Além de ser um método não intrusivo, também pode ser utilizado em problemas com um número elevado de parâmetros incertos como entrada. / The possibility of developments of smart structures arises with high performance composite materials improvements, where piezoelectric actuators and sensors are embedded into the structures, following a suitable control laws for vibration attenuation. Multidisciplinary projects are becoming highly complex and sophisticated, involving several sources of uncertainty that should be analyzed and quantified. The main objective for this work is to study the uncertainty propagation in composite laminate structures with embedded piezoelectric actuators and sensors, considering random and/or fuzzy sources for the inputs and design parameters. To accomplish this objective, it is adopted the fuzzy α-cut optimizations methodology. This technique is used when the available information related to the actual randomness is vague or imprecise. In this study, laminated composite shells and plates structures are designed and analyzed by the finite element method, where embedded piezoelectric actuators and sensors controlled by Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) are present. Initially, optimization analyses are executed to find the best arrangement for the piezoelectric material using controllability and observability Gramians metrics, as well as the best controller parameters. This study is developed in the reduced modal space looking for computational costs savings. The chosen rating metrics for the vibration control and uncertainty analysis are based on kinetic, potential and electrical energies. Structural displacements and natural frequency envelopes due uncertainty are also studied and presented. The results have shown that the fuzzy α-cut optimizations methodology is robust and efficient to find extreme values for the sought outputs. In addition to being a non-intrusive method, it is also able to deal with a large number of uncertain input parameters.

O principal objetivo do controle de vibrações é a sua redução ou minimização, através da modificação automática da resposta estrutural. Em muitas situações isto é necessário para promover a estabilidade estrutural, e para alcançar o alto desempenho mecânico necessário em diversas áreas técnicas, tais como a engenharia aeroespacial, civil e mecânica, bem como a biotecnologia, inclusive em escala micro e nano mecânica. Uma alternativa é o uso de estruturas inteligentes, que são o resultado da combinação de sensores e atuadores integrados em uma estrutura mecânica, e um método de controle adequado. O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de rotinas computacionais para a simulação, via método dos elementos finitos, do controle ativo de estruturas inteligentes de cascas, placas e vigas delgadas de material compósito laminado com camadas de material piezoelétrico como sensores e/ou atuadores. Caracterizam esta pesquisa a utilização do elemento GPL-T9 de três nós e seis graus de liberdade mecânicos por nó, mais um grau de liberdade elétrico por camada piezoelétrica, assim como a avaliação de dois métodos de controle, o Proporcional-Integral-Derivativo (PID) e o Regulador Quadrático Linear ou Linear Quadratic Regulator (LQR), incluindo o LQR Modal, e a otimização da localização de pastilhas piezoelétricas através de um Algoritmo Genético (AG). Várias aplicações são apresentadas e os resultados obtidos são comparados aos disponíveis na literatura especializada. / The main objective of vibration control is its reduction or even its minimization by the automatic modification of the structural response. Sometimes this is necessary to increase structural stability and to attain a high mechanical behavior in several areas such as aerospace, civil and mechanical engineering, biotechnology, including macro, micro and nanomechanical scales. An alternative is to use a smart structure, which results of the combinations of integrated sensors and actuators in a mechanical structure and a suitable control method. Development of a computational code to simulate, using finite elements, the active control in smart structures such as slender shells, plates and beams of composite materials with embedded piezoelectric layers acting as actuators and sensors is the main objective of this work. This research is characterized by the use of the GPL-T9 element with three nodes and six mechanical degrees of freedom and one electrical degree of freedom per piezoelectric layer, by the evaluation of two control methods, the Proportional Integral Derivative (PID) and the Linear Quadratic Regulator (LQR), including the Modal LQR, and, finally by the optimization of piezoelectric patches placement using a Genetic Algorithm (GA). Several examples are presented and compared with those obtained by other authors.

Nous avons développé une stratégie de synthèse basée sur la cycloaddition 1,3‐dipolaire catalysée par le Cu(I) pour la préparation de LCPs et LCEs. Nous avons considéré deux approches. La première consiste en l’élaboration des monomères (protomésogènes) portant des fonctionnalités alcynes terminaux et des molécules portant des groupements azurés suivi de leur réaction selon un procédé en une seule étape. Dans la seconde approche, la formation du "protomésogène" se fait in situ lors de la réaction de cycloaddition (polymerisation) à partir de blocs complémentaires portant des fonctionnalités alcynes et azurés. Tous les composés synthétisés ont été caractérisés par des techniques classiques d'analyses chimiques ou physiques (élastomères). Dans tous les cas, les analyses thermiques (ATG et DSC) ont été menées afin de déterminer l’existence de mésophases et la stabilité des produits, et le cas échéant, les propriétés mésomorphes ont été analysées par POM et SAXS. / In this work we have developed a new strategy based on the Cu(I)‐catalyzed 1,3‐dipolar cycloaddition between azides and alkynes for the preparation of a variety of LCPs and LCEs. Two approaches are presented. The first one consists in clicking together appropriate alkyne‐difunctionalized potential mesogens with azide‐difunctionalized spacers (polymers) and crosslinker (elastomers) in a one‐pot procedure. In an alternative approach, the potential mesogens are formed in situ during the polymerization procedure by cliking prefunctionalized building blocks bearing alkyne and azide functions. All of the samples were chemically or physically (elastomers) characterized by typical analysis. Their thermal behavior was investigated by using techniques such as ATG and DSC and where necessary (mesomorphic materials) by using POM and SAXS.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a biologia, farmácia e medicina. Um novo princípio para o bombeamento de fluidos está sendo estudado dentro do Departamento deEngenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O presente projeto trata deste princípio: a utilização de um atuador piezelétrico bilaminar inserido num meio fluido para geração de vazão. O objetivo deste projeto é verificar a viabilidade desta bomba piezelétrica através de simulações computacionais, estudando a sensibilidade do sistema a diversos parâmetros e realizando a otimização do mesmo de forma a maximizar seudesempenho. O software ANSYS é utilizado para a simulação computacional do problema de dinâmica de fluidos e para modelar o atuador piezelétrico bilaminar, e o software Altair Hyperstudy na etapa de otimização. O texto apresenta as metodologias empregadas e discute os resultados obtidos, de forma a analisar os fenômenos físicos em questão e validar este novo princípio proposto. / Flow pumps, besides their classical applications in Engineering, are important devices in areas such as Biology, Pharmacy and Medicine. A novel principle for fluid pumping has been studied at the Department of Mechatronic Engineering and Mechanical Systems of the Engineering School of the University of Sao Paulo. The current project deals with this principle: the use of a bimorph piezoelectric actuator in a fluid environment for flow generation. The objective of this project is to verify the viability of this pump through computational simulations, by performing a sensitivity analysis for various parameters and an optimization to maximize its performance. The ANSYS software is used for the computational fluid dynamics simulations and for modeling the bimorph piezoelectric actuator, and the Altair Hyperstudy software for the optimization. The text presents the employed methodologies and discusses the obtained data in order to analyze the physical phenomena involved and to validate this novel principle.