Bombas de fluxo são dispositivos importantes em áreas como a Bioengenharia, Medicina, Farmácia, entre outras aplicações clássicas de Engenharia. Princípios para o bombeamento de fluidos baseados em atuadores piezelétricos estão sendo estudados no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica, que permitem a construção de bombas de fluxo de pequena escala, ou seja, bombas de fluxo de pequena potência para deslocamento de pequenos volumes de fluido com baixo consumo de energia. O presente trabalho estuda bombas de fluxo piezelétricas de diafragma do tipo valve-less para geração de vazão. A bomba de fluxo piezelétrica de diafragma utiliza cerâmica piezelétrica como atuador para mover uma membrana (diafragma) para cima e para baixo como um pistão, que causa uma seqüência de aumento e diminuição do volume da câmara da bomba, forçando a entrada e a saída do fluido na bomba. A direção do fluxo é garantida por válvulas que privilegiam o fluxo em apenas um sentido. O objetivo deste trabalho é o estudo da metodologia de desenvolvimento de uma bomba de fluxo piezelétrica de diafragma de baixo custo do tipo valve-less. Para tanto, será utilizado a modelagem por Método dos Elementos Finitos (MEF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos e construtivos da bomba de fluxo. Serão realizadas simulações de escoamento de fluido pelo Método de Volumes Finitos (MVF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos dos elementos difusor/bocal e o levantamento das curvas características da bomba de fluxo. Por fim, protótipos serão construídos e caracterizados para validação dos resultados computacionais. Serão apresentadas a metodologia empregada e a discussão dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps act as important devices in areas as Bioengineering, Medicine, Pharmacy, among other areas of Engineering. Principles for pumping fluids based on piezoelectric actuators have been studied in the Department of Mechatronic and Mechanical Engineering of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, that allow the construction of small flow pumps, in other words, pumps for displacement of small fluid volumes with low power consumption. The present work studies valveless piezoelectric diaphragm flow pumps for flow generation. The piezoelectric diaphragm flow pump uses a piezoelectric ceramic as actuator to move a membrane (diaphragm) up and down as a piston. Consequently, there is a sequence of increase and decrease in the chamber volume that will force the fluid in and out of the pump. The direction of the flow is guaranteed by valves that privilege the flow in just one pumping direction. The main objective of this work is the study of a methodology to develop a low cost valve-less piezoelectric diaphragm flow pump. A sensitivity analysis is carried using computational simulation through the Finite Element Method (FEM) to study how construction parameters and assembly affect diaphragm flow pump performance. Using CFD simulations through the Finite Volume Method (FVM), a sensitivity analysis is done around nozzle/diffuser element geometrical parameters and pump characteristic curves are obtained. Finally, computational results are validated by prototype construction and characterization. The text presents methodologies employed and discusses the obtained results, analyzing the principle and the related physical phenomena.

A identificação de mecanismos modais é uma tarefa que requer um grande esforço ao se considerar geometrias complexas. O uso de materiais inteligentes como tecnologia nesse tipo de identificação vem sendo bastante difundido, principalmente o uso de sensores piezelétricos, como o piezo-fiber composite (PFC). Esse tipo de aplicação pode se tornar uma ferramenta bastante prática no estudo de instabilidades aeroelásticas, em especial o mecanismo modal de flutter. A proposta desse trabalho é criar uma metodologia de análise de flutter simulando o desempenho de materiais piezelétricos, aderidos em laminados compósitos, como sensores modais. Inicialmente, é realizada uma análise aeroelástica da estrutura para se identificar o mecanismo e os modos dominantes para o surgimento do flutter. Em seguida, os modos identificados são detectados pelos sensores com uma determinada potência de sinal. A sensibilidade desse sinal é avaliada de acordo com a posição e configuração do laminado embebido no sensor. Para realizar essa simulação, um modelo de asa é gerado e suas frequências naturais e modos são determinados pelo método dos elementos finitos (MEF). Com esses dados, é possível caracterizar o modelo nas equações de movimento aeroelásticas. O carregamento aerodinâmico dessas equações é obtido utilizando o método dos anéis de vórtice, do inglês: vortex lattice method (VLM). A simulação é realizada em cada velocidade de fluxo e a resposta dos sensores piezelétricos é obtida no domínio do tempo e domínio da freqüência para se analisar a potência do sinal. Foi realizada uma prévia análise de um modelo de asa representado por uma placa e as configurações de maior potência de sinal são identificadas. A posição dos sensores se demonstrou mais sensível do que a configuração do laminado e a utilização de apenas um sensor foi suficiente para identificação do mecanismo modal, o que pode tornar essa tecnologia viável em ensaios de flutter em estruturas de material compósito. / For complex aeronautical structures, modal mechanism identification requires a great deal of effort. The use of smart materials has been developed in this application, mainly the sensor application with piezo-fiber composites (PFC). It can become a useful tool in aeroelastic instabilities studies, especially on flutter modal mechanism. This work intends to develop a methodology of flutter analysis evaluating the piezoelectric materials performance, using composites impregnation effects, and working as a modal sensor. First, one aeroelastic analysis is done to identify the flutter mechanism and its dominant modes. Then, it modes is detected by sensors with some specific power of electric signal, whose sensitivity is evaluated according with position and embeeded laminate configuration. This simulation uses a plate model representing a wing, whose natural frequencies and modes are determined by finite element method (FEM). So, given this data, is possible to define the wing model using an equation of motion, whose aerodynamic load is obtained by vortex lattice method (VLM). That equation is solved step by step, for each airspeed considered, then, the PFC response is obtained both in the frequency and time domain. The analysis was done using a metric that qualifies the best configuration according with the power of signal. The sensor position was more significant than the laminate configuration; however, the use of only one sensor is sufficient to identify the modal mechanism, which becomes this technology feasible in flutter test of composite structures.

Motivado pela crescente demanda por fontes energéticas alternativas, este trabalho discute o uso do efeito piezelétrico para geração de energia a partir de vibrações estruturais, cujo caráter ubíquo as têm colocado em posição de destaque dentre outras fontes renováveis. O processo conhecido por piezoelectric energy harvesting ou scavenging é estudado utilizando-se de múltiplos graus de liberdade para maximização da energia gerada e aumento da faixa de frequência útil do gerador, permitindo melhores resultados em aplicações sujeitas a excitações aleatórias de larga banda de frequência. Diretamente relacionada ao custo do dispositivo, e por isso, à sua viabilidade comercial, a eficiência dos harvesters em função da quantidade de material piezelétrico utilizado também é amplamente discutida. Para o desenvolvimento do tema são realizadas simulações numéricas em MATLAB, primeiramente para modelos de parâmetros concentrados, com análises de sensibilidade da geração de energia em relação a características mecânicas, bem como disposição e propriedades dos elementos piezelétricos em soluções com dois e três graus de liberdade. Usando modelos de parâmetros distribuídos os estudos são replicados a uma solução construtiva do tipo viga \"L\", com validação do modelo matemático e das proposições levantadas através de ensaios em laboratório usando um protótipo do gerador. Ao final é feita uma análise crítica relativa ao piezoelectric energy harvesting através de geradores de múltiplos graus de liberdade, em que são confrontados e discutidos os resultados teóricos e experimentais obtidos. / Motivated by the increasing demand on alternative energy resources, this study discusses the usage of the piezoelectric effect for energy generation from structural vibrations, which stands out among other renewable energy resources by its ubiquitous essence. The process known as piezoelectric energy harvesting or scavenging is evaluated using multiple degrees-of-freedom to maximize the energy generated and broaden the useful frequency bandwidth of the harvester, enabling better outcomes in applications subjected to random broadband excitations. Due to its direct relation to costs, and therefore to market feasibility, the harvester efficiency based on the piezoelectric material quantity is widely discussed. Numeric simulation using MATLAB are performed for the subject development, firstly using lumped parameter models to conduct generation sensitivity analysis on the mechanical characteristics, piezoelectric properties and allocation of two and three degrees-of-freedom solutions. Using distributed parameter models the study is replicated to an L-shaped configuration, with validation of the theoretical model and the brought forward proposals through laboratory experiments using an energy harvester prototype. At the end, a critical analysis on piezoelectric energy harvesting through multiple degrees-of-freedom is conducted, comparing and discussing the theoretical and experimental results.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.

Microdispositivos piezelétricos tem uma vasta aplicação em mecânica de precisão, como, por exemplo, manipulação de células, microcirurgias, equipamentos de nanotecnologia e principalmente em microeletromecanismos (MEMS). Os microdispositivos piezelétricos considerados nesta tese essencialmente consistem de uma estrutura multi-flexível atuada por duas ou mais piezocerâmicas, que geram deslocamentos e forças em direções e regiões pré-determinadas do domínio, ou seja, a estrutura multi-flexível atua como um transformador mecânico amplificando e alterando os deslocamentos gerados pelas piezocerâmicas nos movimentos de atuação. O desenvolvimento destes microdispositivos piezelétricos em sua grande maioria não utiliza ferramentas sistemáticas e genéricas. A complexidade dos movimentos de atuação torna o desenvolvimento dos microdispositivos piezelétricos complexo, principalmente devido ao surgimento de movimentos indesejados ou acoplados durante a sua atuação. Portanto, é necessário um método sistemático e eficiente como o método de otimização topológica (MOT), que incorpore na sua formulação as principais exigências de projeto dos microdispositivos, como apresentado nesse trabalho. O MOT implementado é baseado na abordagem CAMD (Distribuição Contínua da Distribuição de Material), onde as pseudo-densidades são interpoladas nos nós de cada elemento finito, resultando numa distribuição contínua de material no domínio. Um método adjunto foi implementado para o cálculo das sensibilidades. São consideradas três formulações. A primeira denominada de MAPs (Multi-Atuadores Piezelétricos) considera as regiões piezocerâmicas fixas, otimizando apenas a estrutura multi-flexível no domínio de projeto. Nesta formulação materiais não-piezelétricos (como, por exemplo, Alumínio) e vazio são distribuídos no domínio de projeto, mantendo as regiões piezocerâmicas fixas e homogêneas. Para validar os resultados obtidos com essa formulação foram fabricados protótipos de nanoposicionadores $XY$, que foram caracterizados experimentalmente utilizando técnicas de interferometria laser, considerando excitação quasi-estática. No entanto, essa primeira formulação impõe restrições no problema, limitando a optimalidade da solução obtida pela otimização topológica. Assim, surgiu a necessidade de desenvolver uma segunda formulação, que permite distribuir simultaneamente material não-piezelétrico, piezelétrico e vazio no domínio de projeto, denominada de LOMPs (Localização Ótima do Material Piezelétrico). A formulação dos LOMPs obtém simultaneamente a localização do material piezelétrico na estrutura flexível otimizada pela OT, e inclui também uma variável de projeto para determinar o ângulo ótimo entre as direções de polarização e do campo elétrico. Nesta formulação como as posições dos eletrodos não são conhecidas, ``a priori\'\', é utilizado como abordagem aplicar um campo elétrico constante para determinar a localização do material piezelétrico e conseqüentemente dos eletrodos. Finalmente, foi explorado o conceito de materiais com gradação funcional (MGFs) no projeto dos MAPs. Os MGFs apresentam uma distribuição contínua de materiais na sua microestrutura, não possuindo interface entre os materiais distribuídos, o que possibilita aumentar a vida útil do dispositivo piezelétrico. Assim, foi implementado uma terceira formulação denominada de MAPs MGFs, que permite obter a gradação ótima de materiais piezelétricos e não-piezelétricos no domínio piezocerâmico dos MAPs, conjuntamente com a topologia da estrutura multi-flexível. Essa formulação foi estendida para projetar atuadores bilaminares MGFs. Todas as formulações desenvolvidas utilizam uma função multi-objetivo, que permite controlar a rigidez e a flexibilidade minimizando o movimento acoplado, de cada movimento de atuação. Os exemplos numéricos são limitados a modelos bi-dimensionais, utilizando o estado plano de tensões e deformações mecânicas e elétricas, uma vez que a grande maioria das aplicações dos microdispositivos piezelétricos são bi-dimensionais. / Microtools offer significant promise in a wide range of applications such as cell manipulation, microsurgery, nanotechnology processes, and many other fields. The microtools considered in this doctoral thesis essentially consist of a multi-flexible structure actuated by two or more piezoceramic devices that when each piezoceramic is actuated, it generates an output displacement and force at a specified point of the domain and direction. The multi-flexible structure acts as a mechanical transformer by amplifying and changing the direction of the piezoceramic output displacements. Thus, the development of microtools requires the design of actuated flexible structures that can perform complex movements. The development of these microtools is still in the beginning and it can be strongly enhanced by using design tools. In addition, when multiple piezoceramic devices are involved, coupling effects in their movements become critical, especially the appearance of undesired movements, which makes the design task very complex. One way to avoid such undesirable effects is the use of a systematic design method, such as topology optimization, with appropriate formulation of the optimization problem. The topology optimization method implemented is based on the CAMD (Continuous Approximation of Material Distribution) approach where fictitious densities are interpolated at each finite element, providing a continuum material distribution in the domain. The corresponding sensitivity analysis is presented using the adjoint method. Three formulations are considered. The first formulation, called Piezoelectric Multi-Actuators (PMAs), keeps fixed piezoceramic positions in the design domain and only the flexible structure is designed by distributing some non-piezoelectric material (Aluminum, for example). $XY$ Piezoelectric Nanopositioner are manufactured and experimentally analyzed to validate the results of the topology optimization obtained using this formulation. Experimental analyses are conducted using laser interferometry to measure displacement, while considering a quasi-static excitation. However, this first formulation imposes a constraint to the position of piezoelectric material in the optimization problem limiting the optimality of the solution. Thus, the second formulation presented, called LOMPs, allows the simultaneous distribution of non-piezoelectric and piezoelectric material in the design domain, to achieve certain specified actuation movements. The optimization problem is posed as the simultaneous search for an optimal topology of a flexible structure as well as the optimal position of piezoceramics in the design domain and optimal rotation angle of piezoceramic material axes that maximize output displacements or output forces at a specified point of the domain and direction. When the distribution of a non-piezoelectric conductor material and a piezoceramic material is considered in the design domain, the electrode positions are not known ``a priori\'\'. To circumvent this problem, an electric field is applied as electrical excitation. Finally, the concept of functionally graded materials (FGM) is applied to PMAs design. FGMs are special materials that possess continuously graded properties without interfaces which can increase lifetime of piezoelectric devices. Thus, a third formulation is implemented to find the optimum gradation and polarization sign variation of piezoceramic FGMs, while simultaneously optimizing the multi-flexible structural configuration. This formulation is extended to design bimorph type FGM actuators. For all developed formulations, a multi-objective function is defined that controls the stiffness and flexibility, minimizing the coupling movement of each actuated movement. The present examples are limited to two-dimensional models because most part of the applications for such micro-tools are planar devices.

Microdispositivos piezelétricos tem uma vasta aplicação em mecânica de precisão, como, por exemplo, manipulação de células, microcirurgias, equipamentos de nanotecnologia e principalmente em microeletromecanismos (MEMS). Os microdispositivos piezelétricos considerados nesta tese essencialmente consistem de uma estrutura multi-flexível atuada por duas ou mais piezocerâmicas, que geram deslocamentos e forças em direções e regiões pré-determinadas do domínio, ou seja, a estrutura multi-flexível atua como um transformador mecânico amplificando e alterando os deslocamentos gerados pelas piezocerâmicas nos movimentos de atuação. O desenvolvimento destes microdispositivos piezelétricos em sua grande maioria não utiliza ferramentas sistemáticas e genéricas. A complexidade dos movimentos de atuação torna o desenvolvimento dos microdispositivos piezelétricos complexo, principalmente devido ao surgimento de movimentos indesejados ou acoplados durante a sua atuação. Portanto, é necessário um método sistemático e eficiente como o método de otimização topológica (MOT), que incorpore na sua formulação as principais exigências de projeto dos microdispositivos, como apresentado nesse trabalho. O MOT implementado é baseado na abordagem CAMD (Distribuição Contínua da Distribuição de Material), onde as pseudo-densidades são interpoladas nos nós de cada elemento finito, resultando numa distribuição contínua de material no domínio. Um método adjunto foi implementado para o cálculo das sensibilidades. São consideradas três formulações. A primeira denominada de MAPs (Multi-Atuadores Piezelétricos) considera as regiões piezocerâmicas fixas, otimizando apenas a estrutura multi-flexível no domínio de projeto. Nesta formulação materiais não-piezelétricos (como, por exemplo, Alumínio) e vazio são distribuídos no domínio de projeto, mantendo as regiões piezocerâmicas fixas e homogêneas. Para validar os resultados obtidos com essa formulação foram fabricados protótipos de nanoposicionadores $XY$, que foram caracterizados experimentalmente utilizando técnicas de interferometria laser, considerando excitação quasi-estática. No entanto, essa primeira formulação impõe restrições no problema, limitando a optimalidade da solução obtida pela otimização topológica. Assim, surgiu a necessidade de desenvolver uma segunda formulação, que permite distribuir simultaneamente material não-piezelétrico, piezelétrico e vazio no domínio de projeto, denominada de LOMPs (Localização Ótima do Material Piezelétrico). A formulação dos LOMPs obtém simultaneamente a localização do material piezelétrico na estrutura flexível otimizada pela OT, e inclui também uma variável de projeto para determinar o ângulo ótimo entre as direções de polarização e do campo elétrico. Nesta formulação como as posições dos eletrodos não são conhecidas, ``a priori\'\', é utilizado como abordagem aplicar um campo elétrico constante para determinar a localização do material piezelétrico e conseqüentemente dos eletrodos. Finalmente, foi explorado o conceito de materiais com gradação funcional (MGFs) no projeto dos MAPs. Os MGFs apresentam uma distribuição contínua de materiais na sua microestrutura, não possuindo interface entre os materiais distribuídos, o que possibilita aumentar a vida útil do dispositivo piezelétrico. Assim, foi implementado uma terceira formulação denominada de MAPs MGFs, que permite obter a gradação ótima de materiais piezelétricos e não-piezelétricos no domínio piezocerâmico dos MAPs, conjuntamente com a topologia da estrutura multi-flexível. Essa formulação foi estendida para projetar atuadores bilaminares MGFs. Todas as formulações desenvolvidas utilizam uma função multi-objetivo, que permite controlar a rigidez e a flexibilidade minimizando o movimento acoplado, de cada movimento de atuação. Os exemplos numéricos são limitados a modelos bi-dimensionais, utilizando o estado plano de tensões e deformações mecânicas e elétricas, uma vez que a grande maioria das aplicações dos microdispositivos piezelétricos são bi-dimensionais. / Microtools offer significant promise in a wide range of applications such as cell manipulation, microsurgery, nanotechnology processes, and many other fields. The microtools considered in this doctoral thesis essentially consist of a multi-flexible structure actuated by two or more piezoceramic devices that when each piezoceramic is actuated, it generates an output displacement and force at a specified point of the domain and direction. The multi-flexible structure acts as a mechanical transformer by amplifying and changing the direction of the piezoceramic output displacements. Thus, the development of microtools requires the design of actuated flexible structures that can perform complex movements. The development of these microtools is still in the beginning and it can be strongly enhanced by using design tools. In addition, when multiple piezoceramic devices are involved, coupling effects in their movements become critical, especially the appearance of undesired movements, which makes the design task very complex. One way to avoid such undesirable effects is the use of a systematic design method, such as topology optimization, with appropriate formulation of the optimization problem. The topology optimization method implemented is based on the CAMD (Continuous Approximation of Material Distribution) approach where fictitious densities are interpolated at each finite element, providing a continuum material distribution in the domain. The corresponding sensitivity analysis is presented using the adjoint method. Three formulations are considered. The first formulation, called Piezoelectric Multi-Actuators (PMAs), keeps fixed piezoceramic positions in the design domain and only the flexible structure is designed by distributing some non-piezoelectric material (Aluminum, for example). $XY$ Piezoelectric Nanopositioner are manufactured and experimentally analyzed to validate the results of the topology optimization obtained using this formulation. Experimental analyses are conducted using laser interferometry to measure displacement, while considering a quasi-static excitation. However, this first formulation imposes a constraint to the position of piezoelectric material in the optimization problem limiting the optimality of the solution. Thus, the second formulation presented, called LOMPs, allows the simultaneous distribution of non-piezoelectric and piezoelectric material in the design domain, to achieve certain specified actuation movements. The optimization problem is posed as the simultaneous search for an optimal topology of a flexible structure as well as the optimal position of piezoceramics in the design domain and optimal rotation angle of piezoceramic material axes that maximize output displacements or output forces at a specified point of the domain and direction. When the distribution of a non-piezoelectric conductor material and a piezoceramic material is considered in the design domain, the electrode positions are not known ``a priori\'\'. To circumvent this problem, an electric field is applied as electrical excitation. Finally, the concept of functionally graded materials (FGM) is applied to PMAs design. FGMs are special materials that possess continuously graded properties without interfaces which can increase lifetime of piezoelectric devices. Thus, a third formulation is implemented to find the optimum gradation and polarization sign variation of piezoceramic FGMs, while simultaneously optimizing the multi-flexible structural configuration. This formulation is extended to design bimorph type FGM actuators. For all developed formulations, a multi-objective function is defined that controls the stiffness and flexibility, minimizing the coupling movement of each actuated movement. The present examples are limited to two-dimensional models because most part of the applications for such micro-tools are planar devices.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a Bioengenharia, seja para o bombeamento de sangue ou dosagem de reagentes e medicamentos, e na área de refrigeração de equipamentos eletrônicos. Muitos dos novos princípios aplicados no desenvolvimento desse tipo de bomba de fluxo baseiam-se no uso de atuadores piezelétricos. Esses atuadores apresentam certas vantagens em relação a outros tipos tradicionalmente utilizados, como maior potencial de miniaturização, menor geração de ruídos e número reduzido de partes móveis. Entre os vários tipos de bombas de fluxo piezelétricas destacam-se as baseadas nos movimentos ondulatórios e oscilatórios, como o nadar dos peixes. É bem conhecido que os peixes ao nadarem não provocam a morte de micro-organismos ao seu redor, o que torna esse princípio bem promissor para as aplicações em Biotecnologia, por exemplo. Assim, o presente trabalho de mestrado dedica-se ao estudo de novas configurações de atuadores piezelétricos bilaminares associados em paralelo e série para bombeamento de líquidos através do princípio oscilatório, a fim de se obter maiores vazões ou pressões. O escopo deste projeto abrange, computacionalmente, análises estruturais de atuadores piezelétricos bilaminares e simulações do escoamento de fluido e, experimentalmente, construções de protótipos para validação de resultados. Inicialmente é investigado o comportamento de um único atuador piezelétrico bilaminar em fluido viscoso (água), a fim de se dominar o princípio de funcionamento proposto neste trabalho. Esse estudo serviu de referência para as configurações de atuadores em série e paralelo propostas. Espera-se que a configuração dos atuadores em paralelo apresente um ganho na vazão de saída, enquanto que a configuração dos atuadores em série apresente um ganho na pressão de saída. Ao longo desta dissertação são apresentadas a metodologia empregada e as discussões dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps, in addition to traditional applications in Engineering, are important tools in areas such as Bioengineering, applied to blood pumping, dosage of medicine and chemical reagents, and in the field of thermal management solutions for electronic devices. Many of the new principles in flow pumps development are based on the use of piezoelectric actuators. These actuators present some advantages in relation to other applied types, for example, miniaturization potential, lower noise generation and fewer numbers of moving parts. Flow pumps based on undulatory and oscillatory movements, such as fish swimming, stand out among the various types of piezoelectric flow pumps. It is well known that fish swimming does not cause the death of microorganisms, what makes this principle applicable in Biotechnology, for example. Thus, the objective of this work is to study parallel-cascade configurations of bimorph piezoelectric actuators for liquid pumping based on the oscillatory principle, in order to obtain higher flow rates and pressure. The scope of this work includes structural and analyses of bimorph piezoelectric actuators and fluid flow simulations, and construction of prototypes for result validation. First, it is investigated the behavior of a single bimorph piezoelectric actuator oscillating in viscous fluid (water) to better understand the working principle used in this work. The study of a single piezoelectric actuator was used as a reference for the other proposed parallel-cascade configurations of actuators. It is expected that parallel actuators achieve higher flow rates, while the series actuators achieve higher pressures. The methods employed are presented and the obtained results are discussed, analyzing the principle and the related physical phenomena.

Orientador: Michael John Brennan / Abstract: The guarantee of security in transport vehicles, buildings, bridges and critical structures is extremely important for people and the environment. Therefore, in the last decades, several Structural Health Monitoring (SHM) techniques have been proposed and developed for many areas. One technique to detect corrosion could be the use of guided waves. Considering one wave travelling in a structure and impinging on a discontinuity (damage), this wave will interact with this discontinuity and will be scattered. Thus wave motion in structures may be a powerful way to indicate the presence of damage in a structure. This work aims to investigate wave propagation in a thin Euler-Bernoulli infinite beam, and the way in which these waves interact with simulated corrosion damage (symmetric and asymmetric). The studies show the importance to know the behavior of waves before chose main frequencies to used for a SHM system. Piezoelectric elements are used to excite and sense the waves. The behavior of the systems studied are widely discussed in frequency and time domains. In order to detect and quantify the damage, reflected waves showed better sensitivity and proportionality with damage severity for all configuration studied. The longitudinal wave incident in the damage is easier to be used in a SHM system than flexural waves because longitudinal waves present simplicity compared to flexural. However, is important to choose appropriate frequency range in order to generate good levels of th... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A garantia de segurança em veículos de transporte, edifícios, pontes e estruturas críticas é extremamente importante para as pessoas e o meio ambiente. Portanto, nas últimas décadas, várias técnicas de Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM) foram propostas e desenvolvidas para diversas áreas. Uma técnica para detectar corrosão pode ser o uso de ondas guiadas. Considerando uma onda propaganda em uma estrutura e se chocando a uma descontinuidade (dano), esta onda irá interagir com esta descontinuidade e será transformada (parte é refletida e parte transmitida). Assim, o movimento de ondas em estruturas pode ser uma maneira poderosa de indicar a presença de dano em estruturas. Este trabalho tem como objetivo investigar a propagação de ondas em uma viga de Euler-Bernoulli e a forma como estas ondas interagem com danos simulados de corrosão (simétricos e assimétricos). Os estudos mostram a importância de conhecer o comportamento das ondas antes de escolher as freqüências principais a serem usadas em um sistema SHM. Elementos piezelétricos são usados para gerar sensoriar as ondas. O comportamento dos sistemas estudados é amplamente discutido nos domínios de frequência e tempo. Para detectar e quantificar os danos, as ondas refletidas apresentaram melhor sensibilidade e proporcionalidade com a severidade do dano para todas as configurações estudadas. As ondas longitudinais incidentes no dano são mais recomendadas pelo sistema SHM por apresentarem maior simplicidade em relação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

O presente trabalho trata do estudo do fatiamento de cristais de quartzo quanto as suas características e influências na fabricação de micro sistemas eletromecânicos (MEMS). A metodologia é iniciada pelo projeto estruturado de um MEMS, convergindo para um gerador energia elétrica do tipo energy harvest, capaz de gerar energia limpa, renovável, de escala reduzida (micro componente), de baixa potência e com vistas para aplicação comercial. Geração de energia tem se tornado um tema cada vez mais frequente, em especial energia para sistemas autônomos (wireless) aonde o uso de baterias é restritivo ou até mesmo inviável devido às dimensões e dificuldade de manutenção. A fabricação de MEMS é a etapa de maior investimento financeiro e por consequência, maior estudo. No caso do gerador de energia, a ênfase recai sobre os processos de corte, que consomem a maior parte do processo fabril. O objetivo do presente trabalho é avaliar o processo de corte abrasivo do quartzo e a influência dos defeitos impregnados pelo processo, sobre o desempenho de geradores de energia piezelétricos baseados em quartzo sintético e natural. Os processos de corte com uso de fita abrasiva (band saw) e disco abrasivo (dicing saw) se destacaram devido aos bons resultados, disponibilidade, produtividade e baixo custo. Procedimentos de corte também foram realizados em outros materiais - Alumina Policristalina 99,8% e Silício (111) - como estudo comparativo das características do mecanismo de remoção de material aplicado aos processos de corte abrasivos. Os parâmetros de corte foram trabalhados em busca de melhor qualidade, que significa redução da impregnação de falhas (principalmente, o chipping e backside chipping) e melhor acabamento das superfícies geradas pelo corte final. Foram obtidas peças nos planos AT, X, Y e Z, com espessuras a partir de 0,5 mm, segmentadas em larguras de 1 a 7 mm. / This work is a study of characteristics and influences of cutting process in manufacturing of microelectromechanical systems (MEMS) based on quartz single crystal. The methodology starts by the structured design of a MEMS device, converging to an electric power generator device, type energy harvest that generates clean energy, renewable, with small dimensions (micro component) and low power. Power generating has become a frequent topic, especially the power generation for wireless devices systems, which use of batteries can be restrictive or even impracticable because of dimensions and difficult of maintenance. The base of the study is the process manufacturing of MEMS, which is the major investment and because of this, the most studied stage. In the case of a power generator, the emphasis is on the cutting process that consumes most part of the work flow. The objective of this work is evaluate the abrasive cutting process of quartz and the influence of defects generated by the cutting process applied to the performance of piezoelectric power generators based on synthetic and natural quartz crystal. The abrasive cutting process of band saw and dicing saw were featured due availability and high productivity with low cost. Procedures of cutting were also applied in other materials - Alumina Polycrystalline 99,8% and Silicon (111) - as comparison for material removal mechanism in cutting process. The process parameters were optimized to reach better cutting quality, which means reduction in faults (mainly, chipping and backside chippings) and better surface finishing from cutting process. It was obtained pieces from AT, X, Y and Z cutting plans, with thickness starting from 0,5 mm and widths from 1 to 7 mm.

Submitted by FABRICIO MARQUI SANCHES null (fabriciosmf@yahoo.com.br) on 2016-01-05T12:05:05Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO-Fabricio_Marqui_Sanches.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-01-06T17:34:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sanches_fm_me_ilha.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-06T17:34:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sanches_fm_me_ilha.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) Previous issue date: 2015-12-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho é investigada a viabilidade energética do emprego de buzzers piezelétricos, circuito retificador de onda completa e conversor DC-DC elevador em um sistemas de power harvesting submetido a esforços mecânicos causados pelo tráfego de veículos e/ou caminhar de pedestres, demonstrando a possibilidade de reutilização dessa energia no carregamento de baterias para alimentação de circuitos autônomos de monitoramento, indicação, iluminação, etc., em locais remotos, eliminando ou estendendo os intervalos necessário entre as recargas desses dispositivos. O gerador piezelétrico é analisado mediante a excitação realizada por um cilindro pneumático simulador de impactos controlado eletronicamente com frequência de 0,5 Hz e 1 Hz, contendo diferentes quantidades de PZTs (2, 4 e 8) e configuração de ligação (série ou paralelo). Os resultados extraídos são referentes à tensão elétrica, corrente, potência e energia armazenada em função do tempo, sendo ainda feitas relações dessas grandezas com diferentes números de PZTs, área que ocupam, força e pressão aplicada sobre os mesmos. Ao final pode-se concluir a viabilidade da utilização de dispositivos simples em sistemas de power harvesting para geração de energia através de excitações na forma pulsada e em baixas frequências, sendo os maiores valores na saída do circuito em termos de potência e corrente para tensão de 5 volts, 108 µW e 21,5 µA (0,53 Kg e 0,83 N/cm2), bem como 118,8 µW e 23,6 µA para (2,13 Kg e 3,33 N/cm2), obtidos com 8 PZTs, conectados em paralelo e excitados a 1 Hz. / This paper investigated the energy viability of the use of piezoelectric buzzers, rectifier circuit full-wave and DC-DC-converter in a power harvesting systems subjected to mechanical stress caused by the traffic of vehicles and / or walk for pedestrians, demonstrating the possibility of re-use of energy in charging batteries to power autonomous monitoring circuits, display, illumination, etc., in remote locations, eliminating or extending the intervals needed between charges these devices. The piezoelectric generator is analyzed through excitation carried out by a pneumatic cylinder simulator electronically controlled impacts with a frequency of 0.5 Hz and 1 Hz, containing different amounts of PZTs (2, 4, 8) and connection configuration (parallel or serial) . The extracted results are related to the voltage, current, power and energy stored in function of time, still being made relations of these quantities for the number of PZTs, area they occupy, force and pressure applied on them. At the end we can conclude the feasibility of using simple devices in power harvesting systems to generate energy through excitations in pulsed manner and at low frequencies, with higher values in the circuit output in terms of power and current to voltage 5 volts, 108 µW and 21,5 µA (0,53 Kg and 0,83 N/cm2), just like 118,8 µW and 23,6 µA to (2,13 Kg e 3,33 N/cm2), obtained with 8 PZTs, connected in parallel and excited to 1 Hz.