Les particules fines ont un impact réel sur la qualité de vie et la santé de millions de personnes dans les grandes zones urbaines, notamment en Asie. Pour les détecter et quantifier leur concentration, les capteurs de particules optiques sont les plus couramment étudiés, mais restent relativement chers et volumineux. Les transducteurs MEMS micropoutres sont largement utilisés pour des applications gravimétriques, pour la détection de particules ou de gaz, ce qui requiert des sensibilités massiques (Sm) élevées et des limites de détection (LOD) basses. Pour cela les micropoutres les plus adaptées sont celles ayant des fréquences de résonance (f0) et facteurs de qualité (Q) élevés, avec de faibles bruits de mesure et des masses faibles. Les micropoutres silicium sont couramment utilisées en tant que capteurs gravimétriques et sont de sérieux candidats pour répondre aux caractéristiques souhaitées. Cependant, la sérigraphie a le potentiel pour une fabrication moins chère, plus rapide et aussi à grande échelle. Pour ces micropoutres, l'actionnement et la lecture de f0 sont possibles par effet piézoélectrique. Bien qu'il existe des solutions inorganiques prometteuses sans plomb, les céramiques de titano-zirconate de plomb (PZT) possèdent encore les meilleures propriétés parmi les matériaux piézoélectriques. Des micropoutres fabriquées en technologie hybride couches épaisses sérigraphiées, à actionnement et lecture piézoélectriques intégrés, libérées à l'aide d'une couche sacrificielle polyester et avec co-cuisson de toutes les couches pour leurs libérations sont présentées ici. Différentes géométries ont été testées de 1 mm à 2 mm de large et de 1 mm à 8 mm de long, pour une épaisseur d'environ 100 μm. Une masse volumique ρ PZT = 7200 kg/m³ a été obtenue (≈ 93%ρ PZT massif). Enfin, avec une micropoutre 1×2×0,1 mm³, une sensibilité Sm ≈ 85 Hz/μm et une LOD de 70 ng ont été trouvées, permettant des applications en détection de particules. / Fine particulate matters (PM) have a real impact on the quality of life and health of millions of people in large urban areas, especially in Asia. In order to detect them and quantify their concentration, optical PM sensors are the most widely studied, but remain relatively expensive and bulky. MEMS microcantilever transducers are widely used for gravimetric applications, for PM or gas detection, which requires high mass sensitivities (Sm) and low limits of detection (LOD). A solution is to focus on microcantilevers with high resonance frequencies (f0) and quality factors (Q), low measurement noise and low masses. Silicon microcantilevers are commonly used as gravimetric sensors and are serious candidates to meet the desired characteristics. However, screen printing has the potential for cheaper, faster and large scale manufacturing. Such microcantilevers can be actuated and f0 read-out using the piezoelectric effect. Although promising lead-free inorganic solutions exist, titanium lead zirconate (PZT) ceramics still have the best properties among piezoelectric materials. Screen-printed microcantilevers manufactured in hybrid thick-film technology, with integrated piezoelectric actuation and read-out, released using a polyester sacrificial layer and with co-firing of all the layers are presented here. Different geometries were tested from 1 mm to 2 mm wide and from 1 mm to 8 mm long, for a thickness of about 100 μm. A density ρ PZT = 7200 kg/m³ (≈ 93%ρ PZT bulk) was obtained. With a 1×2×0.1 mm³ microcantilever, a sensitivity Sm ≈ 85 Hz/μm and a LOD of 70 ng were found, compatible with applications in PM mass detection.

A proposta deste trabalho é contribuir com a construção de uma plataforma de veículo autônomo para viabilizar as pesquisas na área pelo Departamento de Engenharia de Transportes da USP. Até o momento o departamento dispõe de uma plataforma que, a partir de sua posição conhecida, consegue navegar autonomamente até um ponto de destino utilizando apenas uma solução GNSS, no caso, GPS. Para ampliar a mobilidade da plataforma, está sendo sugerida aqui, a adição de sensores inerciais ao veículo, para que ele consiga obter uma solução de posição mesmo em áreas sem cobertura GNSS. Um Sistema de Navegação Inercial não depende de infraestrutura externa, exceto para inicializar suas variáveis, o que neste caso pode ser feito com auxílio de um receptor GPS. Sensores inerciais de alto desempenho são caros, tem alta complexidade mecânica e em geral são de grande porte. A alternativa é o uso de sensores do tipo MEMS que são pequenos, fáceis de serem manipulados e apresentam baixo consumo de energia. A contrapartida é que a solução é mais susceptível a ruído do que seus pares que custam na faixa de centena de milhões de dólares. / The proposal of this paper is to build an autonomous vehicle platform to enable the researches in this area by the Transport Engineering Department of the USP. Until now the Department has a platform that, once its initial position is known, it can navigate autonomously to a destination point using only the GNSS, in this case, GPS. To expand the mobility resources of the platform, it is being suggested here the addition of inertial sensors to the vehicle, enabling it to acquire a position solution even in areas where there is no coverage of the GNSS. An Inertial Navigation System does not depend on an external infra-structure, with the exception on the initial setup, where the GPS can be used to provide this kind of initialization. High performance inertial sensors are expensive, have high mechanical complexity and in general are big. The alternative is the usage of MEMS sensors, which are small, easy to handle and has low power consumption. In the opposite side this solution is more susceptible to noises in comparison to those High performance sensors that cost hundreds of thousands of dollars.

Neste trabalho, apresento um estudo sobre a fabricação e caracterização físico-química de filmes finos de nitreto de alumínio (AlN) obtidos pela técnica de pulverização catódica reativa por rádio frequência (r.f sputtering) utilizando um alvo de alumínio puro. Visto que o AlN é um material que apresenta piezoeletricidade e compatibilidade com a tecnologia MOS, o objetivo principal desse trabalho é definir os parâmetros de processo de deposição que resultem em um material com propriedades adequadas para sua utilização como elemento atuador e/ou sensor em sistemas micro eletromecânicos (MEMS). O estudo da influência dos parâmetros de processo foi realizado em três etapas. Na primeira realizei um estudo preliminar sobre a influência da pressão de processo e potência de r.f. Na segunda etapa realizei um estudo sobre a influência da relação entre o gás reativo (N2) e o pulverizante (Ar) nas características físicoquímicas do material. Na 3º etapa estudei o efeito da temperatura de deposição nas características do filme que apresentou as propriedades mais propícias para aplicações em MEMS. Propriedades como índice de refração, composição química e stress residual não apresentaram grandes variações com a mudança da composição gasosa da atmosfera de deposição, no entanto, os resultados de difração de raios-X mostraram que os filmes obtidos com 30% de N2 possuem maior cristalização na direção que apresenta maior piezoeletricidade, sendo assim, mais favorável para ser utilizado como sensor/atuador na fabricação de MEMS. No estudo sobre o efeito da temperatura de deposição verificamos que o filme crescido a 250°C apresentou as melhores propriedades para as aplicações em MEMS desejadas. Para finalizar o trabalho a constante piezoelétrica de carga foi obtida utilizando capacitores de placas paralelas de molibdênio e o AlN como dielétrico, obtendo um coeficiente piezoelétrico de carga d33 de 0,5 pm/V. / I present a study on the production and physicochemical characterization of aluminum nitride thin films (AlN) obtained by r.f. reactive magnetron sputtering, using a target of pure aluminum. Since AlN is a material that presents piezoelectricity and compatibility with MOS technology, the main objective of this work is to define the process parameters that will result in a material with properties suitable for its use as an actuator / sensor in micro electromechanical systems (MEMS). The process parameters influence study was performed in three steps. First I conducted a preliminary study on pressure process and rf power influence. In the second step was studied the influence of the reactive (N2) and sputtering (Ar) gas ratio on the material physical and chemical properties. Last but not least, I studied the temperature deposition effects in the AlN thin film obtained in the gas ratio which presented the most favorable properties for MEMS applications. Properties such as refractive index, chemical composition and residual stress did not show considerable variations with changing in the atmosphere deposition, however X-ray diffraction results showed films obtained with 30% N2 have higher crystallization in (002) direction, which is the one with greater piezoelectricity response and thus, more favorable to be used as sensor / actuator in MEMS fabrication. The study on deposition temperature effects has shown maximum (002) crystallization direction is achieved in films grown at 250° C. Piezoelectric coefficient was defined using parallel plate capacitors method using AlN as dielectric resulted in a d33 piezoelectric coefficient of 0,5 pm/V.

Durant ces vingt dernières années l'émergence des technologies MEMS a rendu possible l'intégration de capteurs au sein de systèmes complexes de taille réduite. Quelques-uns de ces capteurs se retrouvent dans des dispositifs tels que les téléphones mobiles, GPSs, ordinateurs portables… Il existe néanmoins une contrainte majeure, quand à l’utilisation de capteurs dans les applications fonctionnant sur batterie : leurs «consommation». En effet du fait de cette contrainte la plus part des capteurs développés de nos jours sont basés sur des modes de transduction capacitif limitant ainsi la consommation mais par la même occasion complexifiant lourdement la conception de l’élément sensible. Cette complexité de réalisation de l’élément sensible se répercute donc sur le prix du produit final. Le meilleur moyen de diminuer le prix de revient d’un capteur est l’utilisation d’une technologie de transduction qui permet de diminuer la complexité structurelle du capteur. La transduction résistive répond bien à ce problème, cependant les structures de conditionnement de signal les plus utilisées dissipent une puissance excessive. Cette thèse propose donc l’étude d’une structure électronique faible bruit / faible consommation innovante (le pont Actif) permettant le conditionnement de signaux issus de capteurs résistifs. Les critères d’évaluation du pont actif sont ici le gain, le bruit intrinsèque de l’électronique (facteur limitant de la résolution) et, le plus important, la consommation globale du capteur (éléments sensible + électronique de traitement). / Since resistive sensors exist, the Wheatstone bridge has been the most commonly used conditioningand read-out architecture. Even with the development of MEMS in the last decade, the Wheatstonebridge remains the preferred solution to transpose a physical magnitude into the electrical domain assoon as a resistive transduction method is used. Nevertheless the Wheatstone bridge introduces amajor issue for low-power sensors, the dependence of resolution to power consumption. Moreover,the output signal is directly proportional to the supply voltage. Finally, power consumption is theprice to pay for high resolution in a Wheatstone bridge.Low-power requirement, in mobile applications, is probably one of the main reasons to explain whycapacitive transduction has been preferred for many MEMS. Indeed, even if the fabrication process isoften more complex than for resistive sensors, the power consumption of capacitive transduction isfar below the one of dissipative resistor-based sensors.In order to extend the potential application of resistive MEMS, a power-efficient interface circuit isrequired. My PhD thesis deals with the design and manufacturing of an innovative conditioning andread-out interface for resistive MEMS sensor. The proposed structure includes a digital offsetcompensation for robustness to process, voltage, temperature variations, and/or analog to digitalconversion. Results demonstrate good resolution to power consumption ratio and a good immunityto environmental parameters. Experimental results on a fully integrated CMOS/MEMS sensor finallydemonstrate the efficiency of this promising read-out architecture called The active bridge.

Nesse trabalho foi desenvolvido um software para simular a corrosão anisotrópica do silício, tendo como base o comportamento desta corrosão em soluções alcalinas (KOH). Esse software foi escrito na linguagem C++ para diversas plataformas e possui dois módulos básicos que são a Biblioteca de classes (denominada autosim) e uma Interface Gráfica (denominada AutoMEMS). A API desenvolvida possui classes que implementam 3 modelos de simulação da corrosão que se baseiam no modelo matemático do autômato celular, que são o Autômato Convencional, Estocástico e Contínuo. Por usar o autômato celular, permite realizar a simulação da corrosão do silício usando filme de mascaramento na frente e nas costas do substrato, os quais também podem conter geometrias arbitrárias. Além disso, a API implementa ferramentas de visualização que tem como objetivo, simplificar e representar as informações contidas nas matrizes de estados. Um exemplo de ferramenta de visualização é a ferramenta de detecção de contornos que analisa cada camada da matrizes e no final, cria todos os contornos encontrados. E por último, a biblioteca autosim fornece classes para a construção de outros autômatos celulares. A Interface Gráfica fornece ferramentas de desenhos para a construção de máscaras para as simulações e também, fornece ferramentas para configurar todos os parâmetros envolvidos na simulação. E por último, a Interface Gráfica visualiza todo o resultado da simulação numa janela gráfica 3D. O programa simula desde geometrias simples como quadrados, cruzes, L, cantilevers até geometrias mais complexas como uma estrutura de Wagon Wheel em formato de uma rosa dividida em ângulos de 1°. Também, permite definir matrizes de células de diversos tamanhos, desde matrizes pequenas (com 200x200x100 células) até matrizes gigantescas (com 4000x4000x100 células). Para matrizes pequenas, a simulação e detecção de contornos ocorre em tempo real, mas para matrizes maiores, esse tempo pode se estender a várias horas de processamento computacional, apesar de que, maiores quantidades de células melhoram a resolução da simulação. Todas as simulações realizadas possuem boa concordância com os resultados experimentais. Por exemplo, o aparecimento de cantos vivos convexos que ocorre na corrosão de uma ilha quadrada é prevista no simulador, o aparecimento de paredes inclinadas com orientação cristalográfica também é prevista pelo simulador de corrosão. / This work was developed a software for simulate the anisotropic etching silicon, based on the behavior this etch in alkaline solutions (KOH). The software was written in language C++ for various platforms and has two basic modules that are the library of classes (called autosim) and an Graphical Interface (called AutoMEMS). The API developed has classes that implement three models of etch simulation that based on mathematical model of cellular automata, that are the Conventional Automata, Stochastic and Continuous. To use the cellular automata, allows perform the anisotropic etching silicon simulation using masking film in front and back of substrate, which too may contain arbitrary geometrics. Also, the API implement tools of visualization that as objective, simplify and represent the informations contained in state matrix. A example of visualization tools is a tool of detection of contours that analyzes each layer of matrixs and in end, create all the contours found. And finally, the library autosim provides for construction of other cellular automatas. The Graphical Interface provides tools of drawing for construction of masks for simulations and too, provides tools for configure all parameters involved in simulation. And finally, a Graphical Interface view all the results of simulation in graphical window 3D. The software was simulation since simply geometries as square, cross, L, cantilevers until geometries more complex as a struture of Wagon Whell in format of a rose and divide in angle of 1° degree. Too, allows define matrixs of cells of various sizes, since small matrixs (with 200x200x200 cells) until big matrixs (with 4000x4000x100 cells). For small matrixs, the time of simulation and detection of contours is real-time, but, for big matrixs, this time can a several hours of computational processing, despite the fact that more quantities of cells improve the simulation resolution. All simulations fulfilled has good concordance with experimetals results, for example, the appearance of life corner convex that occurs in etching of island square and provided in simulator, the apperance of sloping walls with cristalographic orientation too and provided by simulator of etching.

Neste trabalho, apresento um estudo sobre a fabricação e caracterização físico-química de filmes finos de nitreto de alumínio (AlN) obtidos pela técnica de pulverização catódica reativa por rádio frequência (r.f sputtering) utilizando um alvo de alumínio puro. Visto que o AlN é um material que apresenta piezoeletricidade e compatibilidade com a tecnologia MOS, o objetivo principal desse trabalho é definir os parâmetros de processo de deposição que resultem em um material com propriedades adequadas para sua utilização como elemento atuador e/ou sensor em sistemas micro eletromecânicos (MEMS). O estudo da influência dos parâmetros de processo foi realizado em três etapas. Na primeira realizei um estudo preliminar sobre a influência da pressão de processo e potência de r.f. Na segunda etapa realizei um estudo sobre a influência da relação entre o gás reativo (N2) e o pulverizante (Ar) nas características físicoquímicas do material. Na 3º etapa estudei o efeito da temperatura de deposição nas características do filme que apresentou as propriedades mais propícias para aplicações em MEMS. Propriedades como índice de refração, composição química e stress residual não apresentaram grandes variações com a mudança da composição gasosa da atmosfera de deposição, no entanto, os resultados de difração de raios-X mostraram que os filmes obtidos com 30% de N2 possuem maior cristalização na direção que apresenta maior piezoeletricidade, sendo assim, mais favorável para ser utilizado como sensor/atuador na fabricação de MEMS. No estudo sobre o efeito da temperatura de deposição verificamos que o filme crescido a 250°C apresentou as melhores propriedades para as aplicações em MEMS desejadas. Para finalizar o trabalho a constante piezoelétrica de carga foi obtida utilizando capacitores de placas paralelas de molibdênio e o AlN como dielétrico, obtendo um coeficiente piezoelétrico de carga d33 de 0,5 pm/V. / I present a study on the production and physicochemical characterization of aluminum nitride thin films (AlN) obtained by r.f. reactive magnetron sputtering, using a target of pure aluminum. Since AlN is a material that presents piezoelectricity and compatibility with MOS technology, the main objective of this work is to define the process parameters that will result in a material with properties suitable for its use as an actuator / sensor in micro electromechanical systems (MEMS). The process parameters influence study was performed in three steps. First I conducted a preliminary study on pressure process and rf power influence. In the second step was studied the influence of the reactive (N2) and sputtering (Ar) gas ratio on the material physical and chemical properties. Last but not least, I studied the temperature deposition effects in the AlN thin film obtained in the gas ratio which presented the most favorable properties for MEMS applications. Properties such as refractive index, chemical composition and residual stress did not show considerable variations with changing in the atmosphere deposition, however X-ray diffraction results showed films obtained with 30% N2 have higher crystallization in (002) direction, which is the one with greater piezoelectricity response and thus, more favorable to be used as sensor / actuator in MEMS fabrication. The study on deposition temperature effects has shown maximum (002) crystallization direction is achieved in films grown at 250° C. Piezoelectric coefficient was defined using parallel plate capacitors method using AlN as dielectric resulted in a d33 piezoelectric coefficient of 0,5 pm/V.

Atuadores piezelétricos são dispositivos que permitem a conversão de energia elétrica em energia mecânica. Dentre os atuadores piezelétricos, destacam-se os bilaminares, que consistem em duas piezocerâmicas de polarização oposta (ou excitadas com cargas de sinal contrário) com um substrato entre elas. Os atuadores piezelétricos também podem ser miniaturizados, alcançando a escala de MEMS (Micro-Electric-Mechanical System). Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT) para o projeto de atuadores piezelétricos com múltiplos graus de liberdade baseados no princípio bilaminar. A fase de projeto consiste na utilização do MOT para a determinação de uma configuração de atuadores que maximizem o deslocamento numa direção e sentido especificados para uma restrição na quantidade de material utilizado em cada camada, considerando a polarização da cerâmica piezelétrica presente nessa configuração e o acoplamento e simetria entre as camadas. Para a simulação do atuador é utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) através de um elemento de placa piezelétrica isoparamétrico de oito nós expandido. O MOT, neste trabalho, utiliza o modelo de material denominado PEMAP-P (Material Piezelétrico com Penalização e Polarização). A técnica de projeção é utilizada junto ao MOT para a obtenção de um resultado com uma geometria bem definida. O problema de otimização é resolvido através de Programação Matemática Sequencial (PMS) através do algoritmo GCMMA (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). Como exemplo é estudado o projeto de um atuador piezelétrico para microespelhos. Dentre as configurações obtidas pelo MOT, uma é fabricada utilizando as técnicas de corte a laser e colagem e, posteriormente, é caracterizada. Finalmente, é realizada a comparação entre os resultados de simulação e experimentais do protótipo. / Piezoelectric actuators are devices that allow the conversion of electric energy to mechanical energy. Among the piezoelectric, the bimorph stands. It consists of two piezoceramic plates with opposite polarization (or excited with opposite sign charges) with a substrate between them. The piezoelectric actuators can also be miniaturized in a MEMS scale. This work aims the design of a methodology using the Topology Optimization Method (TOM) for the design of piezoelectric actuators with multiple degrees of freedom using the bimorph principle. The design phase applies the TOM to determine an optimized configuration of actuators that maximizes the output displacement in a specified direction and orientation for a constraint in the amount of material used at each layer, by considering the polarization of the piezoelectric ceramic present on this configuration and the coupling and symmetry between layers. The Finite Element Method (FEM) is applied for actuator simulation through an extended piezoelectric plate isoparametric element with 8 nodes. The TOM in this work employs a material model called PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization). The projection technique is implemented with TOM to obtain a result with a well-defined geometry. The optimization problem is solved by using Sequential Mathematical Programming (SMP) through the GCMMA algorithm (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). As an example, the design of a piezoelectric actuator for micromirrors is studied. Among the configurations obtained by the TOM, one is manufactured using laser cutting and bonding techniques and it is tested. Finally, a comparison between the simulated and experimental results from prototype is performed.

Nesse trabalho foi desenvolvido um software para simular a corrosão anisotrópica do silício, tendo como base o comportamento desta corrosão em soluções alcalinas (KOH). Esse software foi escrito na linguagem C++ para diversas plataformas e possui dois módulos básicos que são a Biblioteca de classes (denominada autosim) e uma Interface Gráfica (denominada AutoMEMS). A API desenvolvida possui classes que implementam 3 modelos de simulação da corrosão que se baseiam no modelo matemático do autômato celular, que são o Autômato Convencional, Estocástico e Contínuo. Por usar o autômato celular, permite realizar a simulação da corrosão do silício usando filme de mascaramento na frente e nas costas do substrato, os quais também podem conter geometrias arbitrárias. Além disso, a API implementa ferramentas de visualização que tem como objetivo, simplificar e representar as informações contidas nas matrizes de estados. Um exemplo de ferramenta de visualização é a ferramenta de detecção de contornos que analisa cada camada da matrizes e no final, cria todos os contornos encontrados. E por último, a biblioteca autosim fornece classes para a construção de outros autômatos celulares. A Interface Gráfica fornece ferramentas de desenhos para a construção de máscaras para as simulações e também, fornece ferramentas para configurar todos os parâmetros envolvidos na simulação. E por último, a Interface Gráfica visualiza todo o resultado da simulação numa janela gráfica 3D. O programa simula desde geometrias simples como quadrados, cruzes, L, cantilevers até geometrias mais complexas como uma estrutura de Wagon Wheel em formato de uma rosa dividida em ângulos de 1°. Também, permite definir matrizes de células de diversos tamanhos, desde matrizes pequenas (com 200x200x100 células) até matrizes gigantescas (com 4000x4000x100 células). Para matrizes pequenas, a simulação e detecção de contornos ocorre em tempo real, mas para matrizes maiores, esse tempo pode se estender a várias horas de processamento computacional, apesar de que, maiores quantidades de células melhoram a resolução da simulação. Todas as simulações realizadas possuem boa concordância com os resultados experimentais. Por exemplo, o aparecimento de cantos vivos convexos que ocorre na corrosão de uma ilha quadrada é prevista no simulador, o aparecimento de paredes inclinadas com orientação cristalográfica também é prevista pelo simulador de corrosão. / This work was developed a software for simulate the anisotropic etching silicon, based on the behavior this etch in alkaline solutions (KOH). The software was written in language C++ for various platforms and has two basic modules that are the library of classes (called autosim) and an Graphical Interface (called AutoMEMS). The API developed has classes that implement three models of etch simulation that based on mathematical model of cellular automata, that are the Conventional Automata, Stochastic and Continuous. To use the cellular automata, allows perform the anisotropic etching silicon simulation using masking film in front and back of substrate, which too may contain arbitrary geometrics. Also, the API implement tools of visualization that as objective, simplify and represent the informations contained in state matrix. A example of visualization tools is a tool of detection of contours that analyzes each layer of matrixs and in end, create all the contours found. And finally, the library autosim provides for construction of other cellular automatas. The Graphical Interface provides tools of drawing for construction of masks for simulations and too, provides tools for configure all parameters involved in simulation. And finally, a Graphical Interface view all the results of simulation in graphical window 3D. The software was simulation since simply geometries as square, cross, L, cantilevers until geometries more complex as a struture of Wagon Whell in format of a rose and divide in angle of 1° degree. Too, allows define matrixs of cells of various sizes, since small matrixs (with 200x200x200 cells) until big matrixs (with 4000x4000x100 cells). For small matrixs, the time of simulation and detection of contours is real-time, but, for big matrixs, this time can a several hours of computational processing, despite the fact that more quantities of cells improve the simulation resolution. All simulations fulfilled has good concordance with experimetals results, for example, the appearance of life corner convex that occurs in etching of island square and provided in simulator, the apperance of sloping walls with cristalographic orientation too and provided by simulator of etching.

Mecanismos flexíveis são mecanismos onde o movimento é dado pela flexibilidade da estrutura ao invés da presença de juntas e pinos. Tem grande aplicação em dispositivos de mecânica de precisão, área biomédica, e mais recentemente na construção de microeletromecanismos (“MEMS" em inglês). Várias técnicas são usadas no projeto de mecanismos flexíveis, sendo que entre elas, a Otimização Topológica tem se mostrado a mais genérica e sistemática. O método de Otimização Topológica combina um método de otimização com o método dos elementos finitos (MEF). A utilização da Otimização Topológica permite que um engenheiro ou cientista projete o mecanismo para a sua aplicação específica sem precisar adquirir conhecimentos específicos sobre estruturas e mecanismos flexíveis. Dessa forma, o objetivo desse trabalho é aplicar o método de Otimização Topológica no projeto de mecanismos flexíveis, usando o modelo de material SIMP (método de densidades). O projeto é definido como sendo um problema de otimização de uma estrutura flexível, sujeito à restrição na quantidade de material, onde a função objetivo é maximizar o deslocamento numa dada região do domínio da estrutura quando submetida a um dado carregamento em outra região. Para ilustrar a implementação do método são apresentados resultados de topologias bidimensionais de mecanismos flexíveis. / Compliant Mechanisms consist of mechanisms where the movement is giving by the structural flexibility rather than the presence of joints and pins. They are applied to precision mechanic devices, biomedical field, and more recently to the design of microelectromechanical systems (MEMS). Many techniques has been applied to design compliant mechanisms. Among them, topology optimization method is a generic and systematic method. Topology optimization combines optimization algorithms with finite element method and allows an engineer or a scientist to design a compliant mechanism for its application without having to acquire specific knowledge about structures or compliant mechanisms. Therefore, the objective of this work is to apply topology optimization to design compliant mechanisms. The topology optimization method implemented is based on the SIMP material model. The design is defined as the optimization problem of a flexible structure, subject to an amount of material constraint, where the objective function is to maximize the output displacement in a certain region of the structure domain due to an applied load to other region. To illustrate the implementation of the method, two-dimensional topologies of compliant mechanisms are presented as a result.

Atuadores Piezelétricos Flextensionais consistem de uma estrutura flexível atuada por cerâmicas piezelétricas (ou “pilhas” de cerâmicas). A estrutura flexível conectada a piezocerâmica deve gerar deslocamentos e forças em diferentes pontos específicos do domínio, para uma direção especificada. Estes atuadores são usados em aplicações de mecânica de precisão, tal como, sistemas microeletromecânicos (MEMS), manipulador de células, interferometria laser, equipamentos de nanotecnologia, equipamentos de microcirurgias, nanoposicionadores, sonda de varredura microscópica, e etc. Porém, devido ao fato destes atuadores consistirem principalmente de um mecanismo flexível, seu projeto é complexo. A estrutura flexível comporta-se como um transformador mecânico pela amplificação para converter, direcionar e amplificar os pequenos deslocamentos gerados pela piezocerâmica (ordem de nanômetros). A estrutura flexível é projetada distribuindo-se flexibilidade e rigidez no domínio de projeto, o que pode ser obtido usando a otimização topológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é implementar um método sistemático baseado no método de otimização topológica para projetar atuadores piezelétricos flextensionais. Essencialmente, o método de otimização topológica consiste em encontrar a distribuição ótima de material perfurando o domínio de projeto com infinitos microfuros. O material em cada ponto pode alterar de vazio a total presença de material, também assumindo material intermediário (ou compósito). A implementação do método de otimização topológica é baseado no modelo de material SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization). O problema de otimização é posto como a maximização dos deslocamentos gerados (ou força de blocagem) em diferentes pontos e direções especificadas do domínio. Considerando o comportamento linear da piezocerâmica. Alterando a flexibilidade e a rigidez da estrutura flexível conectada a piezocerâmica obtém-se diferentes tipos de atuadores piezelétricos flextensionais, que podem ser projetados para determinadas aplicações. Para ilustrar o método, os exemplos mostrados são modelos bidimensionais (2D), uma vez que a maior parte das aplicações envolve dispositivos planos. Estes atuadores são fabricados usando corrosão química em chapas de cobre abaixo de 200 μm de espessura através do método de litografia. Técnica de corrosão química tem um baixo custo e permite-nos fabricar diversos protótipos para testes. Esta técnica pode ser facilmente utilizada no LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – Campinas). Análise experimental destes protótipos são procedidas para medição de deslocamentos usando uma Probe Station. Como trabalho futuro, estes protótipos serão construídos em escala de MEMS. / Flextensional Piezoelectric Actuators consist of a flexible structure actuated by piezoelectric ceramics (or a stack of piezoceramics). The flexible structure connected to the piezoceramic must generate displacements and forces in different specified points of the domain, according to a specific direction. These actuators are applied to precision mechanic applications such as microelectromechanical systems (MEMS), cell manipulators, laser interferometers, nanotechnology equipment, microsurgery equipment, nanopositioners, scanning probe microscopy, etc. However, due to the fact these actuators essentially consist of a compliant mechanism their design is complex. The compliant structure behaves as a mechanical transform by amplifying and changing the direction of small output displacements generated by piezoceramics (order of nanometer). The flexible structure is designed by distributing flexibility and stiffness in the design domain, which can be archieved by using topology optimization. Therefore, the objective of this work is to implement a systematic method based on topology optimization method to design flextensional piezoelectric actuators. Essentially, the topology optimization method consists of finding the optimal material distribution in a perforated design domain with infinite microvoids. The material in each point can change from void to full material, also assuming intermediate (or composite) material. The implemented topology optimization method is based on the SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization) material model. The optimization problem is posed as maximization of output displacements (or grabbing forces) in different specified directions and points of the domain. A linear behavior of piezoceramic is considered. By changing the flexibility and stiffness of flexible structure connected to the piezoceramics different types of flextensional piezoelectric actuators can be designed for a desired application. To illustrate the method, examples presented herein are limited to two-dimensional (2D) models once in most part of applications of these actuators they are planar devices. These actuators are manufactured by using chemical corrosion on a 200 um thickness copper plate through lithography method. Chemical corrosion technique has a low cost and it allow us to manufacture several prototypes for testing. For this technique, facilities of the micromachining laboratory of National Sincroton Light Laboratory (LNLS - Campinas) are used. Experimental analysis of these prototypes are conducted by measuring displacements using a probe station. As a future work, these prototypes will be built in a MEMS scale.