Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss.--Karlsruhe, 2006.

Vibration converters based on piezoelectric materials are currently becoming increasingly important for powering low-power wireless sensor nodes and wearable electronic devices. Piezoelectric materials generate variable electrical charges under mechanical stress, requiring an energy management interface to meet load requirements. Resonant interfaces like Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor (P-SSHI) are highly efficient and robust to energy sources and loads variations. Nevertheless, SSHI circuits require synchronous switch control for efficient energy transfer. At irregular excitation, SSHI circuits may not perform optimally because the resonant frequency of the circuit is typically tuned to match the frequency of the energy source, which in the case of footsteps can be irregular and unpredictable. In addition, the circuit may also be susceptible to noise and interference from irregular excitations, which can further affect its performance. The aim is to design a self-powered energy management solution that can operate autonomously even at low frequencies and for irregular chock excitations, while at the same time allowing higher energy flow to the energy storage device and maintaining high levels of energy efficiency. To evaluate the performance of the proposed circuit, a piezoelectric shoe insole is designed and used for testing with different storage capacitance values and loads as a proof of the circuit’s adaptability to various loading conditions.:1 Introduction 2 Theoretical background 3 State of the art of piezoelectric energy harvesting interfaces 4 Novel approach of SP-PSSHI piezoelectric energy harvesting interface 5 Experimental investigations 6 Conclusions and Outlook

Die Arbeit befasst sich mit der effizienten Simulation des funktionellen Verhaltens von Piezoverbundmodulen als Aktor oder Sensor zur Schwingungsbeeinflussung mechanischer Strukturen. Ausgehend von einem FE-Modell werden über den Ansatz energetischer Äquivalenz die effektiven elektro-mechanischen Materialparameter ermittelt. Zur Berücksichtigung im Inneren der Einheitszelle liegender Elektroden werden die elektrischen Randbedingungen der Homogenisierungslastfälle angepasst. Die Homogenisierungslastfälle werden auch genutzt, um Phasenkonzentrationen für die Beanspruchungen der Verbundkomponenten zu ermitteln. Diese Phasenkonzentrationen werden eingesetzt, um aus dem effektiven Gesamtmodell die Beanspruchungen der Komponenten zu extrahieren. Zur dynamischen Modellbildung wird die Zustandsraumbeschreibung verwendet. Die Überführung einer piezo-mechanischen FE-Diskretisierung in ein Zustandsraummodell gelingt mit der Betrachtung der mechanischen Freiheitsgrade als Zustandsvariablen. Zur Abbildung der elektrischen Impedanz im Zustandsraum muss die elektrische Kapazitätsmatrix als Durchgangsmatrix einbezogen werden. Die Reduktion des Zustandsraums basiert auf der modalen Superposition. Die modale Transformationsbasis wird um Moden ergänzt, die die Verformung bei statischer elektrischer Erregung charakterisieren. Die Zustandsraumbeschreibung wird sowohl für eine Potential- als auch für eine Ladungserregung ausgeführt. Das Zustandsraummodell wird unter Verwendung von Filtermatrizen um Ausgangssignale für die mechanischen und elektrischen Beanspruchungsgrößen erweitert. Dies gestattet eine Kopplung der Zustandsraummodelle mit den Beanspruchungsanalysen. Die Anwendung der Berechnungsmethode wird am Beispiel der im SFB/TRR PT-PIESA entwickelten Piezo-Metall-Module demonstriert, die durch direkte Integration von piezokeramischen Basiselementen in Blechstrukturen gekennzeichnet sind. / This thesis deals with the efficient simulation of the functional behaviour of piezo composite modules for applications as actuators or sensors to influence vibrations of machine structures. Based on a FE-discretisation the effective electro-mechanical material parameters of the piezo composite modules are determined with an ansatz of energetic equivalence. To consider electrodes which are located inside the representative volume element the electrical boundary conditions of the load cases for homogenisation are adapted. The load cases for homogenisation are also used to determine the phase concentrations (or fluctuation fields) of stress/strain and electric field/electric displacement field in the composite constituents. These phase concentrations are required to extract stress and strain of the composite components based on the overall model with effective material parameters. For dynamical modelling a state space representation is used. The transformation of a FE-discretisation of the piezo-mechanical system into a state space model is possible by choosing the mechanical degree of freedom as state variables. For consideration of the electrical impedance in the state space model the electrical stiffness respectively capacitance matrix has to incorporate as feedthrough matrix. The dynamical model reduction of the state space model is based on modal superposition. For the correct reproduction of the electrical impedance the modal transformation basis has to be amended by deformation modes which represent the deformation behaviour due to static electrical excitation at the electrodes. The state space representation is built for potential and charge excitation. The state space model is enhanced by filter matrices to incorporate output signals for stress/strain and also for electric field/electric displacement field. This allows the coupling of the state space models with the stress analyses. The application of the simulation method is demonstrated using the example of the piezo-metal-modules developed in the CRC/TR PT-PIESA (German: SFB/TRR PT-PIESA). These piezo-metal-modules are characterised by direct integration of piezoceramic base elements in sheet metal structures.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.

Die Arbeit befasst sich mit der effizienten Simulation des funktionellen Verhaltens von Piezoverbundmodulen als Aktor oder Sensor zur Schwingungsbeeinflussung mechanischer Strukturen. Ausgehend von einem FE-Modell werden über den Ansatz energetischer Äquivalenz die effektiven elektro-mechanischen Materialparameter ermittelt. Zur Berücksichtigung im Inneren der Einheitszelle liegender Elektroden werden die elektrischen Randbedingungen der Homogenisierungslastfälle angepasst. Die Homogenisierungslastfälle werden auch genutzt, um Phasenkonzentrationen für die Beanspruchungen der Verbundkomponenten zu ermitteln. Diese Phasenkonzentrationen werden eingesetzt, um aus dem effektiven Gesamtmodell die Beanspruchungen der Komponenten zu extrahieren. Zur dynamischen Modellbildung wird die Zustandsraumbeschreibung verwendet. Die Überführung einer piezo-mechanischen FE-Diskretisierung in ein Zustandsraummodell gelingt mit der Betrachtung der mechanischen Freiheitsgrade als Zustandsvariablen. Zur Abbildung der elektrischen Impedanz im Zustandsraum muss die elektrische Kapazitätsmatrix als Durchgangsmatrix einbezogen werden. Die Reduktion des Zustandsraums basiert auf der modalen Superposition. Die modale Transformationsbasis wird um Moden ergänzt, die die Verformung bei statischer elektrischer Erregung charakterisieren. Die Zustandsraumbeschreibung wird sowohl für eine Potential- als auch für eine Ladungserregung ausgeführt. Das Zustandsraummodell wird unter Verwendung von Filtermatrizen um Ausgangssignale für die mechanischen und elektrischen Beanspruchungsgrößen erweitert. Dies gestattet eine Kopplung der Zustandsraummodelle mit den Beanspruchungsanalysen. Die Anwendung der Berechnungsmethode wird am Beispiel der im SFB/TRR PT-PIESA entwickelten Piezo-Metall-Module demonstriert, die durch direkte Integration von piezokeramischen Basiselementen in Blechstrukturen gekennzeichnet sind.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Stand der Forschung 4 Beanspruchungsermittlung für piezo-mechanische Verbunde 5 Zustandsraumbeschreibung piezo-mechanischer Systeme 6 Gesamtmodell 7 Zusammenfassung / This thesis deals with the efficient simulation of the functional behaviour of piezo composite modules for applications as actuators or sensors to influence vibrations of machine structures. Based on a FE-discretisation the effective electro-mechanical material parameters of the piezo composite modules are determined with an ansatz of energetic equivalence. To consider electrodes which are located inside the representative volume element the electrical boundary conditions of the load cases for homogenisation are adapted. The load cases for homogenisation are also used to determine the phase concentrations (or fluctuation fields) of stress/strain and electric field/electric displacement field in the composite constituents. These phase concentrations are required to extract stress and strain of the composite components based on the overall model with effective material parameters. For dynamical modelling a state space representation is used. The transformation of a FE-discretisation of the piezo-mechanical system into a state space model is possible by choosing the mechanical degree of freedom as state variables. For consideration of the electrical impedance in the state space model the electrical stiffness respectively capacitance matrix has to incorporate as feedthrough matrix. The dynamical model reduction of the state space model is based on modal superposition. For the correct reproduction of the electrical impedance the modal transformation basis has to be amended by deformation modes which represent the deformation behaviour due to static electrical excitation at the electrodes. The state space representation is built for potential and charge excitation. The state space model is enhanced by filter matrices to incorporate output signals for stress/strain and also for electric field/electric displacement field. This allows the coupling of the state space models with the stress analyses. The application of the simulation method is demonstrated using the example of the piezo-metal-modules developed in the CRC/TR PT-PIESA (German: SFB/TRR PT-PIESA). These piezo-metal-modules are characterised by direct integration of piezoceramic base elements in sheet metal structures.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Stand der Forschung 4 Beanspruchungsermittlung für piezo-mechanische Verbunde 5 Zustandsraumbeschreibung piezo-mechanischer Systeme 6 Gesamtmodell 7 Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt. / The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.