Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a produção e caracterização do nitreto de alumínio (AlN) obtido pela técnica de r.f. Magnetron Sputtering reativo. Aqui reportamos o efeito dos parâmetros de deposição, como densidade de potência de r.f., temperatura e pressão de processo nas propriedades estruturais, morfológicas e elétricas dos filmes de AlN obtidos. Foram realizados estudos sobre os modos vibracionais, pela técnica de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), das orientações cristalográficas por difração de raios X e da morfologia da superfície pela técnica de microscopia de força atômica (AFM). Estes estudos nos permitiram produzir filmes finos de AlN com uma alta orientação na direção cristalográfica [002] com uma potência de r.f. de 1,23 W/cm2 , uma temperatura de deposição de 200°C e uma pressão de processo de 2 mTorr. Este estudo nos permitiu fabricar filmes de AlN com alta orientação [002] à temperatura ambiente a partir de um alvo de Al. O coeficiente piezoelétrico d33 variou de aproximadamente 4 a 6 pm/V e o d31 2 a 3 pm/V para filmes cristalinos e d33 3 pm/V e d31 1,5 pm/V para filmes amorfos. Os coeficientes piezoelétricos d33 and d31 foram estimados pelo método capacitivo proposto por Mahmoud Al Ahmad and Robert Plana, através da variação das dimensões geométricas induzidas pelo campo elétrico aplicado. / In this work we present a study about the production and characterization of aluminum nitride (AlN) obtained by r.f. Reactive Magnetron Sputtering. Here we report the effect of the deposition parameters, such as r.f. power density, and deposition temperature and pressure, on the morphological, structural and electrical properties of the obtained AlN thin films. In this work we have performed studies concerning the vibrational modes by Fourier Transform Infrared Absorption technique (FTIR), the crystallographic orientations by X-ray diffraction and the surface morphology by Atomic Force Microscopy (AFM). This study allowed us to produce high oriented [002] AlN thin films with a r.f. power density of 1.23 W/cm2, a deposition temperature of 200ºC and a process pressure of 2 mTorr. This study allowed us to produce high oriented [002] AlN thin films at room temperature from a pure Al target. The piezoelectric coefficient d33 was around 4 to 6 pm/V and d31 2 to 3 pm/V to crystalline films and d33 3 pm/V and d31 1.5 pm/V amorphous ones. d33 and d31 piezoelectric coefficients were estimated by the capacitive method proposed by Mahmoud Al Ahmad and Robert Plana, through its geometrical dimensions variation.

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a produção e caracterização do nitreto de alumínio (AlN) obtido pela técnica de r.f. Magnetron Sputtering reativo. Aqui reportamos o efeito dos parâmetros de deposição, como densidade de potência de r.f., temperatura e pressão de processo nas propriedades estruturais, morfológicas e elétricas dos filmes de AlN obtidos. Foram realizados estudos sobre os modos vibracionais, pela técnica de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), das orientações cristalográficas por difração de raios X e da morfologia da superfície pela técnica de microscopia de força atômica (AFM). Estes estudos nos permitiram produzir filmes finos de AlN com uma alta orientação na direção cristalográfica [002] com uma potência de r.f. de 1,23 W/cm2 , uma temperatura de deposição de 200°C e uma pressão de processo de 2 mTorr. Este estudo nos permitiu fabricar filmes de AlN com alta orientação [002] à temperatura ambiente a partir de um alvo de Al. O coeficiente piezoelétrico d33 variou de aproximadamente 4 a 6 pm/V e o d31 2 a 3 pm/V para filmes cristalinos e d33 3 pm/V e d31 1,5 pm/V para filmes amorfos. Os coeficientes piezoelétricos d33 and d31 foram estimados pelo método capacitivo proposto por Mahmoud Al Ahmad and Robert Plana, através da variação das dimensões geométricas induzidas pelo campo elétrico aplicado. / In this work we present a study about the production and characterization of aluminum nitride (AlN) obtained by r.f. Reactive Magnetron Sputtering. Here we report the effect of the deposition parameters, such as r.f. power density, and deposition temperature and pressure, on the morphological, structural and electrical properties of the obtained AlN thin films. In this work we have performed studies concerning the vibrational modes by Fourier Transform Infrared Absorption technique (FTIR), the crystallographic orientations by X-ray diffraction and the surface morphology by Atomic Force Microscopy (AFM). This study allowed us to produce high oriented [002] AlN thin films with a r.f. power density of 1.23 W/cm2, a deposition temperature of 200ºC and a process pressure of 2 mTorr. This study allowed us to produce high oriented [002] AlN thin films at room temperature from a pure Al target. The piezoelectric coefficient d33 was around 4 to 6 pm/V and d31 2 to 3 pm/V to crystalline films and d33 3 pm/V and d31 1.5 pm/V amorphous ones. d33 and d31 piezoelectric coefficients were estimated by the capacitive method proposed by Mahmoud Al Ahmad and Robert Plana, through its geometrical dimensions variation.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / As cerâmicas piesoelétricas estudadas neste trabalho (Pb1,03Zr0,53Ti0,47O3, Pb1,03Zr0,525Nb0,05Ti0,465Fe0,005O3, Pb1,03Zr0,515Nb0,015Ti0,465Fe0,005O3, Pb1,03Zr0,525Nb0,005Ti0,455Fe0,015O3 e Pb1,03Zr0,515Nb0,015Ti0,455Fe0,015O3) foram sinterizadas a 1200oC e 1250oC por 3,5 h a fim de que suas propriedades piesoelétricas fossem investigadas. Nas composições dos PZT obtidas, a matriz e os dopantes empregaram óxidos como matérias primas. As misturas dos óxidos precursores foram calcinadas a 850oC por 3,5 h para obtenção da fase PZT. Os precursores, os pós e os corpos de prova de PZT foram caracterizados quanto às microestruturas, densidades e propriedades físicas. Após a conformação dos pós e a sinterização, os materiais cerâmicos foram polarizados para caracterização de suas propriedades piesoelétricas através de um impedancímetro na faixa de freqüência de 100 KHz a 200 KHz. Os resultados de dispersão de laser dos precursores revelaram aglomeração do óxido de chumbo e óxido de zircônio. As composições calcinadas apresentaram tamanho de partícula na faixa de 0,44 μm a 0,63 μm. As análises de densidade por método de Arquimedes indicaram uma boa densificação dos corpos de prova sinterizados e pouca influência da temperatura de sinterização com uma escala de valores de 95,73 a 97,65% da densidade teórica. As análises de microscopia eletrônica de varredura revelaram que os sinterizados contendo concentrações diferentes de dopantes exibem uma correlação do tipo e teor de dopante com a natureza da fratura, sendo transgranular, quando dopante ferro for predominante e intergranular, quando o dopante Nb for predominante. Também, o aumento da temperatura de sinterização resultou em fratura transgranular independente do tipo e da concentração de dopante, exceto para baixo teor de dopante da composição equimolar, cujos resultados não foram consistentes com a literatura sobre o material. No que diz respeito às propriedades piesoelétricas, revelou-se que a combinação da variação da composição com a temperatura foi favorável para o aumento dos valores da constante dielétrica da formulação equimolar com maior percentual de dopantes. Já o efeito da temperatura com a composição surtiu um efeito muito negativo para os valores de fator de qualidade mecânica da formulação dopada com mais ferro. Para os valores de constante de freqüência da formulação com maior percentagem de nióbio, o efeito da temperatura com a composição gerou um efeito positivo. / The piezoelectric ceramics studied in this work, Pb1.03Zr0.53Ti0.47O3, Pb1.03Zr0.525Nb0.05Ti0.465Fe0.005O3, Pb1.03Zr0.515Nb0.015Ti0.465Fe0.005O3, Pb1.03Zr0.525Nb0.005Ti0.455Fe0.015O3 and Pb1.03Zr0.515Nb0.015Ti0.455Fe0.015O3, were all of them sintered between 1200oC and 1250oC for 3.5h. After that, their piezoelectric properties were investigated. In the present work, oxides were used as raw material in both, matrices and dopants. The mixture of the precursor oxides were calcinaned at 850oC during 3.5h for obtaining the PZT phase. The precursor oxides, the powders and the PZT samples went through characterization tests in order to have their microstructures, densities and physical properties correctly determined. After the powders had been conformed and performed the sinterization process, the PZT ceramics were polarized and their piezoelectric properties determined by using an impedancemeter working in the frequency from 100 KHz to 200 KHz. The obtained results from laser dispersion had revealed agglomeration of lead and zirconium oxide. The calcined samples presented particle sizes from 0.44 μm to 0.63 μm. The density analyses using the Archimedes method indicated a good densification of the sintered samples and a weak influence of the sintering temperature on the obtained density values, whose values ranged from 95.73 to 97.65 % of the theoretical density value. Analysis performed using the scanning electron microscopy technique (MEV) revealed that the sintered samples had showed a correlation between the type and concentration of the dopant with their fracture mode, which were transgranular when Fe prevails over the Nb as dopant, and intergranular, when is the Nb that prevails over the Fe as dopant. By the other side, from increasing the sintering temperature resulted transgranular fractures, independently of which type and content of dopant had been used, except for the equimolar case with relatively low content of dopant, whose results were not consistent with the literature related to this material. About the piezoelectric properties, the results had showed that the combination of the dopant composition with the sintering temperature had brought better values of dielectric constant for the equimolar formulation with more content of dopant. Relating to the mechanical quality factor, from the combination of the dopant composition with the sintering temperature had decreased the factor when Fe prevails over Nb and increased the frequency factor when is the Nb that prevails over the Fe.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / As cerâmicas piesoelétricas estudadas neste trabalho (Pb1,03Zr0,53Ti0,47O3, Pb1,03Zr0,525Nb0,05Ti0,465Fe0,005O3, Pb1,03Zr0,515Nb0,015Ti0,465Fe0,005O3, Pb1,03Zr0,525Nb0,005Ti0,455Fe0,015O3 e Pb1,03Zr0,515Nb0,015Ti0,455Fe0,015O3) foram sinterizadas a 1200oC e 1250oC por 3,5 h a fim de que suas propriedades piesoelétricas fossem investigadas. Nas composições dos PZT obtidas, a matriz e os dopantes empregaram óxidos como matérias primas. As misturas dos óxidos precursores foram calcinadas a 850oC por 3,5 h para obtenção da fase PZT. Os precursores, os pós e os corpos de prova de PZT foram caracterizados quanto às microestruturas, densidades e propriedades físicas. Após a conformação dos pós e a sinterização, os materiais cerâmicos foram polarizados para caracterização de suas propriedades piesoelétricas através de um impedancímetro na faixa de freqüência de 100 KHz a 200 KHz. Os resultados de dispersão de laser dos precursores revelaram aglomeração do óxido de chumbo e óxido de zircônio. As composições calcinadas apresentaram tamanho de partícula na faixa de 0,44 μm a 0,63 μm. As análises de densidade por método de Arquimedes indicaram uma boa densificação dos corpos de prova sinterizados e pouca influência da temperatura de sinterização com uma escala de valores de 95,73 a 97,65% da densidade teórica. As análises de microscopia eletrônica de varredura revelaram que os sinterizados contendo concentrações diferentes de dopantes exibem uma correlação do tipo e teor de dopante com a natureza da fratura, sendo transgranular, quando dopante ferro for predominante e intergranular, quando o dopante Nb for predominante. Também, o aumento da temperatura de sinterização resultou em fratura transgranular independente do tipo e da concentração de dopante, exceto para baixo teor de dopante da composição equimolar, cujos resultados não foram consistentes com a literatura sobre o material. No que diz respeito às propriedades piesoelétricas, revelou-se que a combinação da variação da composição com a temperatura foi favorável para o aumento dos valores da constante dielétrica da formulação equimolar com maior percentual de dopantes. Já o efeito da temperatura com a composição surtiu um efeito muito negativo para os valores de fator de qualidade mecânica da formulação dopada com mais ferro. Para os valores de constante de freqüência da formulação com maior percentagem de nióbio, o efeito da temperatura com a composição gerou um efeito positivo. / The piezoelectric ceramics studied in this work, Pb1.03Zr0.53Ti0.47O3, Pb1.03Zr0.525Nb0.05Ti0.465Fe0.005O3, Pb1.03Zr0.515Nb0.015Ti0.465Fe0.005O3, Pb1.03Zr0.525Nb0.005Ti0.455Fe0.015O3 and Pb1.03Zr0.515Nb0.015Ti0.455Fe0.015O3, were all of them sintered between 1200oC and 1250oC for 3.5h. After that, their piezoelectric properties were investigated. In the present work, oxides were used as raw material in both, matrices and dopants. The mixture of the precursor oxides were calcinaned at 850oC during 3.5h for obtaining the PZT phase. The precursor oxides, the powders and the PZT samples went through characterization tests in order to have their microstructures, densities and physical properties correctly determined. After the powders had been conformed and performed the sinterization process, the PZT ceramics were polarized and their piezoelectric properties determined by using an impedancemeter working in the frequency from 100 KHz to 200 KHz. The obtained results from laser dispersion had revealed agglomeration of lead and zirconium oxide. The calcined samples presented particle sizes from 0.44 μm to 0.63 μm. The density analyses using the Archimedes method indicated a good densification of the sintered samples and a weak influence of the sintering temperature on the obtained density values, whose values ranged from 95.73 to 97.65 % of the theoretical density value. Analysis performed using the scanning electron microscopy technique (MEV) revealed that the sintered samples had showed a correlation between the type and concentration of the dopant with their fracture mode, which were transgranular when Fe prevails over the Nb as dopant, and intergranular, when is the Nb that prevails over the Fe as dopant. By the other side, from increasing the sintering temperature resulted transgranular fractures, independently of which type and content of dopant had been used, except for the equimolar case with relatively low content of dopant, whose results were not consistent with the literature related to this material. About the piezoelectric properties, the results had showed that the combination of the dopant composition with the sintering temperature had brought better values of dielectric constant for the equimolar formulation with more content of dopant. Relating to the mechanical quality factor, from the combination of the dopant composition with the sintering temperature had decreased the factor when Fe prevails over Nb and increased the frequency factor when is the Nb that prevails over the Fe.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Piezoelectric transformers (PTs) allow the design of promising power supply applications, increasing efficiency, reducing size, facilitating the achievement of high transformation ratio, besides providing high immunity against electromagnetic noise. Due to the electrical equivalent model having resonant characteristics, some resonant topologies are naturally suitable for these power supplies, i.e. the Class- E, Half-Bridge, Full-Bridge and Push-pull. Among these topologies, the Class-E converter has a highlight of having one controlled switch. The static gain of the Class-E is changed through the switching frequency variation, while the duty cycle is adjusted with the purpose of achieving soft switching for different switching frequencies and loads. The analisys of this process becomes complex when the system has a high number of reactive elements. One way to simplify this analisys is applying a normalized methodology. On this regard, the first result of this work is the normalized analisys of the functionally of the Class-E converter, including normalized load and switching frequency variation. This allows choosing one optimum point for the static design, without the necessity of design parameters. The main objective of this analisys is the obtention of the duty cycle behavior in order to have soft switching for all operation points. In a second moment, a small-signal model was derived using the generalized averaging method, through Fourier series aproximation. The model describes the relevant poles and zeros of the system, being accurate enough for different loads and switching frequencies. The behavior of resonant converters changes considerably for different operating points; therefore it is important to have a model that represents the system well. The normalized analisys allowed simplifying the small-signal model derivation, once soft switching is achieved for all the operation points. Experimental measurements validate either the normalized or the small signal derivation methodologies. The measurements were achieved for a 3W step-down converter, with universal 85-265 V AC input and 6 V DC output. / Os Transformadores Piezoelétricos (PTs) permitem o projeto de aplicações promissoras para fontes de alimentação até 100W, melhorando a eficiência, reduzindo o tamanho, facilitando a obtenção de grandes relações de transformação, além de proporcionar alta imunidade contra ruídos eletromagnéticos e interferências. Os PTs apresentam modelo elétrico ressonante, trazendo a necessidade de implementação juntamente com topologias de conversores ressonantes, como por exemplo os conversores: Classe-E, Meia Ponte, Ponte Completa e Push-pull. Dentre estas topologias, o conversor Classe-E se destaca por apresentar somente um interruptor controlado. O ganho estático do conversor Classe-E é obtido através da variação da freqüência de chaveamento, e a razão cíclica muda para atender as condições de comutação suave para diferentes freqüências e cargas. A análise deste processo se torna complexa à medida que o sistema apresenta inúmeros elementos reativos. Uma maneira de simplificar esta análise é utilizar uma metodologia normalizada. Devido a isso, o primeiro resultado deste trabalho é a análise normalizada do funcionamento do conversor piezoelétrico Classe- E, incluindo variação normalizada da frequênciade operação e da carga. Isso permite escolher um ponto ótimo de projeto estático, sem a necessidade de parâmetros de projeto. O objetivo principal desta análise normalizada é a obtenção do comportamento da razão cíclica para obter comutação suave em todos os pontos de operação. Em um segundo momento, um modelo de pequenos sinais foi derivado utilizando a metodologia do modelo médio generalizado, através de aproximação por series de Fourier. O modelo descreve os pólos e zeros relevantes do sistema, sendo suficientemente preciso para diferentes cargas e da frequencias de operação. O comportamento de conversores ressonantes varia consideravelmente para diferentes pontos de operação, pois isso um modelo que permita avaliar estes pontos de maneira precisa se faz importante. A análise normalizada permitiu simplificar a derivação do modelo de pequenos sinais, uma vez que garante a operação em comutação suave. Para validar a metodologia apresentada, são mostrados resultados experimentais para um conversor abaixador de 3W, entrada universal de 85-260 V AC e saída de 6 V DC.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the development of a novel digital acceleration controller for sinusoidal vibration tests using switching-mode AC power source (ACPS) fed electrodynamic vibration machines. The proposed scheme is based on the interaction of two control loops: one for the shaker's acceleration regulation and another for the ACPS output voltage control. A robust model reference adaptive algorithm (RMRAC) is used in the voltage control loop. To reduce the effects caused by the plant's parameters variations as well harmonic vibrations and resonances of the test specimen, the acceleration feedback controller is augmented with a feedforward and a robust controller. Experimental results show that the proposed system is capable to achieve excellent acceleration reference tracking performance and robustness in the closed loop control from 20 Hz to 200 Hz. Investigations shall be performed to evaluate the response of this scheme when controlling vibrations as fast as 2000 Hz. A specific instrumentation system has been developed to feedback the electrodynamic vibration machine's acceleration. The proposed solution employs piezoelectric accelerometers, voltage mode preamplifiers, circuit for signal conditioning, analog to digital conversion and filtering. A study concerning the commonly used vibration measurement techniques and the design procedure, simulation, implementation and experimental results are described in detail. / Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um novo tipo de controlador digital de aceleração para ensaios com vibrações senoidais em máquinas de vibra ção eletrodinâmicas supridas por fontes de potência CA com comutação. O esquema proposto é baseado na interação entre duas malhas de controle: uma para regulação de aceleração da máquina de vibração e outra para ajuste da tensão de saída da fonte de potência CA. Um algoritmo adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é utilizado na malha de controle de tensão. Os efeitos de variações paramétricas existentes na planta bem como de vibrações harmônicas e ressonâncias do objeto ensaiado são minimizados com o uso de um controlador feedforward e um controlador feedforward robusto na malha de aceleração. Resultados experimentais demonstram que o sistema proposto é capaz de garantir excelente rastreamento da aceleração de referência e robustez em malha fechada entre 20 Hz e 200 Hz, necessitando ainda de investigação para controle de vibrações tão rápidas quanto 2000 Hz. A realimentação da aceleração da máquina é realizada com o desenvolvimento de uma instrumentação adequada a esse fim. A solução proposta utiliza acelerômetros piezoelétricos, pré-amplificadores modo tensão, circuito para condicionamento de sinais, conversão analógico-digital e filtragem. Um estudo sobre as principais técnicas utilizadas em medições de vibrações bem como a metodologia de projeto, simulação, implementação e testes experimentais são descritos detalhadamente.