Neste trabalho é proposto um dispositivo MEMS do tipo micro-transdutor acústico capacitivo, CMUT (sigla em inglês - Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). Em vez de usar piezoeletricidade, o CMUT tem um array de capacitores, onde cada capacitor possui um eletrodo inferior fixo, uma cavidade e o eletrodo superior composto de uma placa flexível. Quando submetida a uma tensão CC adequada, a placa se deflete se aproximando do eletrodo inferior devido à força eletrostática. Assim a placa fica tensionada podendo vibrar quando excitada por uma tensão CA. Neste caso o CMUT opera como emissor de ondas acústicas. A placa também pode ser excitada por uma onda acústica agindo em sua superfície. Neste caso o dispositivo opera como sensor. Uma das contribuições desse trabalho é o processo de fabricação simplificado com o uso do fotorresiste SU-8 como parte da estrutura do dispositivo. Sua facilidade de processamento e suas propriedades físicas lhe conferem estabilidade e rigidez adequadas para tal fim. Foram realizadas modelagens e simulações analíticas e computacionais do comportamento da placa. Os resultados auxiliaram no melhor entendimento do comportamento do dispositivo sob tensão mecânica devido a uma carga ou uma tensão de polarização. Esses resultados também auxiliaram na definição de parâmetros iniciais do processo de fabricação. Durante o processo de fabricação, foram realizados diversos testes a fim de se encontrar o processo mais adequado à infraestrutura disponível. No processo escolhido, a base do dispositivo é fabricada num substrato de vidro com eletrodos inferiores de alumínio depositados por evaporação. Os pilares são fabricados em SU-8, depositado por spin coatting. A placa é colada posteriormente utilizando-se fotorresiste AZ. O AZ é depositado sobre um pedaço de folha de cobre ou alumínio. As duas partes são colocadas em contato e para promover a colagem é aplicada pressão durante a cura. As amostras foram caracterizadas eletricamente utilizando-se um medidor de impedância RCL. Foram levantadas curvas de impedância, capacitância e ângulo de fase em função da frequência (1 kHz a 1 MHz). Além do sinal CA utilizado pelo instrumento durante a medição foi aplicado um nível CC que variou conforme as dimensões dos protótipos. Também foram levantadas curvas de impedância, capacitância e angulo de fase em função de uma carga mecânica aplicada. Para valores de polarização mais elevados, foram montados circuitos específicos. Estes circuitos são capazes de polarizar o CMUT, aplicar um sinal CA para medição e proteger demais componentes e instrumentos dos aparatos de medição. O dispositivo respondeu bem a aplicação de carga mecânica, excitação por sinal CA e excitação com onda mecânica. Os resultados mostraram que o dispositivo apresenta bom potencial para ser aplicado na análise de fluidos. / This work presents a new process to fabricate an acoustic micro transducer to be used as a microsensor or a microactuator. The acoustic transducers are based on the electrostatic effect and consist on arrays of microfabricated capacitors. Such devices are commonly referred as CMUT, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer. The bottom electrode (evaporated aluminum) of each capacitor is fixed on the surface of glass substrate, while the top electrode is a thin plate structure of copper or aluminum suspended on a cavity surrounded by posts. Since the top electrode is flexible, it bends toward the bottom electrode when a DC bias is applied. In this way, the top electrode can be forced to vibrate using an AC signal to be used as an acoustic wave emitter. Conversely, an ultrasound receiver is achieved as the measured capacitance changes when the DC biased top electrode moves following an external acoustic wave pressure. An innovation of this work is the use of the photoresist SU-8 to fabricate the post structures surrounding the cavities of the capacitive micro transducers. Its relatively simple processing steps and adequate mechanical properties make the SU-8 a convenient choice as an inexpensive structural material. The bottom part of the device is prepared on a glass substrate using an aluminum layer evaporated and etched to form the bottom electrodes. Then, SU-8 is spin coated, baked and etched adequately to form the posts surrounding the cavities. The top part is prepared by simply spinning an AZ-type photoresist on aluminum or copper plate. Finally, both halves are bonded under pressure on a hot plate. Several modeling and simulation analyses were performed in order to estimate the working performance of the micro transducers. The results of simulations helped to define the initial parameters and materials for the fabrication process. Samples submitted to a DC bias were initially characterized using an RCL meter in order to infer impedance, capacitance and phase angle behavior as a function of frequency (from 1 kHz to 1 MHz). Protection circuits were used in order to test CMUTs with high DC bias. These circuits allow to apply high DC bias, and an AC signal while other measuring equipments are protected. The device responded to application of mechanical loading, excitation by an AC signal and excitation by mechanical wave as well. The results showed that the device has good potential to be applied to the analysis of fluids.

Neste trabalho é proposto um dispositivo MEMS do tipo micro-transdutor acústico capacitivo, CMUT (sigla em inglês - Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). Em vez de usar piezoeletricidade, o CMUT tem um array de capacitores, onde cada capacitor possui um eletrodo inferior fixo, uma cavidade e o eletrodo superior composto de uma placa flexível. Quando submetida a uma tensão CC adequada, a placa se deflete se aproximando do eletrodo inferior devido à força eletrostática. Assim a placa fica tensionada podendo vibrar quando excitada por uma tensão CA. Neste caso o CMUT opera como emissor de ondas acústicas. A placa também pode ser excitada por uma onda acústica agindo em sua superfície. Neste caso o dispositivo opera como sensor. Uma das contribuições desse trabalho é o processo de fabricação simplificado com o uso do fotorresiste SU-8 como parte da estrutura do dispositivo. Sua facilidade de processamento e suas propriedades físicas lhe conferem estabilidade e rigidez adequadas para tal fim. Foram realizadas modelagens e simulações analíticas e computacionais do comportamento da placa. Os resultados auxiliaram no melhor entendimento do comportamento do dispositivo sob tensão mecânica devido a uma carga ou uma tensão de polarização. Esses resultados também auxiliaram na definição de parâmetros iniciais do processo de fabricação. Durante o processo de fabricação, foram realizados diversos testes a fim de se encontrar o processo mais adequado à infraestrutura disponível. No processo escolhido, a base do dispositivo é fabricada num substrato de vidro com eletrodos inferiores de alumínio depositados por evaporação. Os pilares são fabricados em SU-8, depositado por spin coatting. A placa é colada posteriormente utilizando-se fotorresiste AZ. O AZ é depositado sobre um pedaço de folha de cobre ou alumínio. As duas partes são colocadas em contato e para promover a colagem é aplicada pressão durante a cura. As amostras foram caracterizadas eletricamente utilizando-se um medidor de impedância RCL. Foram levantadas curvas de impedância, capacitância e ângulo de fase em função da frequência (1 kHz a 1 MHz). Além do sinal CA utilizado pelo instrumento durante a medição foi aplicado um nível CC que variou conforme as dimensões dos protótipos. Também foram levantadas curvas de impedância, capacitância e angulo de fase em função de uma carga mecânica aplicada. Para valores de polarização mais elevados, foram montados circuitos específicos. Estes circuitos são capazes de polarizar o CMUT, aplicar um sinal CA para medição e proteger demais componentes e instrumentos dos aparatos de medição. O dispositivo respondeu bem a aplicação de carga mecânica, excitação por sinal CA e excitação com onda mecânica. Os resultados mostraram que o dispositivo apresenta bom potencial para ser aplicado na análise de fluidos. / This work presents a new process to fabricate an acoustic micro transducer to be used as a microsensor or a microactuator. The acoustic transducers are based on the electrostatic effect and consist on arrays of microfabricated capacitors. Such devices are commonly referred as CMUT, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer. The bottom electrode (evaporated aluminum) of each capacitor is fixed on the surface of glass substrate, while the top electrode is a thin plate structure of copper or aluminum suspended on a cavity surrounded by posts. Since the top electrode is flexible, it bends toward the bottom electrode when a DC bias is applied. In this way, the top electrode can be forced to vibrate using an AC signal to be used as an acoustic wave emitter. Conversely, an ultrasound receiver is achieved as the measured capacitance changes when the DC biased top electrode moves following an external acoustic wave pressure. An innovation of this work is the use of the photoresist SU-8 to fabricate the post structures surrounding the cavities of the capacitive micro transducers. Its relatively simple processing steps and adequate mechanical properties make the SU-8 a convenient choice as an inexpensive structural material. The bottom part of the device is prepared on a glass substrate using an aluminum layer evaporated and etched to form the bottom electrodes. Then, SU-8 is spin coated, baked and etched adequately to form the posts surrounding the cavities. The top part is prepared by simply spinning an AZ-type photoresist on aluminum or copper plate. Finally, both halves are bonded under pressure on a hot plate. Several modeling and simulation analyses were performed in order to estimate the working performance of the micro transducers. The results of simulations helped to define the initial parameters and materials for the fabrication process. Samples submitted to a DC bias were initially characterized using an RCL meter in order to infer impedance, capacitance and phase angle behavior as a function of frequency (from 1 kHz to 1 MHz). Protection circuits were used in order to test CMUTs with high DC bias. These circuits allow to apply high DC bias, and an AC signal while other measuring equipments are protected. The device responded to application of mechanical loading, excitation by an AC signal and excitation by mechanical wave as well. The results showed that the device has good potential to be applied to the analysis of fluids.

Neste trabalho é apresentado o estudo teórico-experimental a respeito das propriedades piezoresistivas de dois tipos de materiais com estrutura amorfa. O primeiro material estudado é o carbono semelhante ao diamante e o segundo é o óxido de estanho dopado com índio. O estudo compreende o levantamento bibliográfico sobre os materiais, projeto teórico e prático de estruturas individuais de testes e piezoresistores configurados em ponte completa, além da realização das caracterizações elétricas, mecânicas e térmicas de acordo com um arranjo experimental proposto. As caracterizações experimentais foram implementadas usando a técnica de flexão de uma viga engastada e a teoria das pequenas deflexões. Os diferentes materiais caracterizados e analisados apresentaram o efeito piezoresistivo e um sinal de sensibilidade mecânica condizente com as características esperadas para estes filmes. Ambos os filmes respondem as variações da temperatura de forma linear e apresentam uma direção de dependência com a temperatura. Os filmes de carbono amorfo hidrogenado livre de dopantes apresentam curvas de corrente e tensão características indicando um mecânismo de condução elétrica complexo devido a sua diversidade de microestruturas e relacionado aos parâmetros de processos de deposição. Os filmes com nitrogênio são mais estáveis termicamente com coeficientes da ordem de - 4900 ppm/ºC. Os resultados encontrados indicam a existência de dois tipos de portadores de cargas responsáveis pela mobilidade média, resistividade e efeito piezoresistivo. Os filmes de óxido de estanho dopado com índio livre e com 5 % e 10 % de oxigênio no plasma apresentam características de diminuição da resistência elétrica com o esforço mecânico e exibem efeitos de piezoresistividade na faixa de - 12 a - 23. Amostras destes filmes com oxigênio apresentaram um fator de sensibilidade mecânica muito baixa e são menos estáveis termicamente que as amostras livres de oxigênio. Os filmes estudados podem ser usados em aplicações envolvendo extensiometria ou mesmo em sensores de pressão piezoresistivos após adequação do processo de deposição e de recozimentos térmicos. / This tesis presents the piezoresistivity theoretical and experimental study for two materials with amorphous structure. The first material is the Diamond Like Carbon and the other is the Indium Tin Oxide. The work includes the bibliographic study, theoretical and practical design of structures for testing individual and piezoresistors configured in bridge, in addition to the completion of the characterizations electrical, mechanical and thermal according to a proposed experimental arrangement. The experimental characterizations have been implemented using the technique of cantilever and the theory of small deflections. The different materials analyzed showed the piezoresistive effect with some order of magnitude and a sign of sensitivity to mechanical stress of tension consistent with the characteristics expected for these types of films. Both films respond to changes in temperature in a very linear and have a direction of dependency with the temperature according to the literature. The films of free doping have curves of current and voltage characteristics for this type of material indicating a mechanism of electric conduction very complex because of its diversity of microstructures and processes related to the parameters of the deposition and films with nitrogen are more thermally stable with coefficients of order of - 4900 ppm/ºC. The results indicate the existence of two types of charge carriers responsible for the average mobility and hence the resistivity and the piezoresistive effect. The films of indium tin oxide free and with some oxygen content in plasma presents characteristics of decreased electrical resistance to mechanical stress and exhibit effects of piezoresistive in the range of - 12 to - 23. Samples of these films with oxygen showed a factor of very low mechanical sensitivity and are less stables to thermal effect the samples free of oxygen. The films studied can be used in certain applications such strain gauges or even in piezoresistive pressure sensors, after adequate process of deposition and thermal annealing.

Microssistemas eletromecânicos ou Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), representam uma classe de dispositivos que combinam funções mecânicas e eletrônicas em escala micrométrica. Através do uso de técnicas de microfabricação, adaptadas da indústria de semicondutores, é realizada a integração entre estruturas móveis, sensores, atuadores e eletrônica, tornando possível a implementação de sistemas completos miniaturizados. Acelerômetros eletrostáticos estão entre os dispositivos MEMS mais comercializados hoje em dia, com venda anual em todo o mundo superior a 100 milhões de unidades e crescente a cada ano. Eles são geralmente fabricados utilizando-se três lâminas de silício espessas, coladas uma sobre a outra. A camada intermediária é obtida por processos de corrosão e consiste de uma grande massa de prova suspensa por uma ou mais vigas. Ela é separada das lâminas superior e inferior por um pequeno espaço vazio (gap), dando origem a dois conjuntos de capacitores de placas paralelas. A flexibilidade das vigas permite que a massa se mova proporcionalmente à aceleração externa e o seu deslocamento é estimado pela variação da capacitância do conjunto. O projeto destes sensores é uma tarefa complexa, já que os seus diversos requisitos de desempenho são, na maioria das vezes, conflitantes, isto é, se o projeto é modificado para melhorar uma característica, as demais são inevitavelmente afetadas e por isso técnicas de otimização devem ser utilizadas na etapa de projeto. Com o intuito de melhorar o desempenho de micro-acelerômetros capacitivos, são então propostas e avaliadas no atual trabalho duas técnicas de otimização distintas, sendo uma delas baseada em Otimização Paramétrica (OP) e a outra no Método da Otimização Topológica (MOT). A OP parte de uma topologia previamente definida e adota algumas de suas características geométricas como variáveis de projeto. Para levar em consideração incertezas nas dimensões e propriedades dos materiais, que é um elemento-chave na concepção e fabricação de dispositivos MEMS, neste trabalho a OP é combinada com o método da Otimização de Projeto Baseado em Confiabilidade ou Reliability-based Design Optimization (RBDO). Análises de confiabilidade de primeira ordem através do Método de Confiabilidade de Primeira Ordem, ou First-Order Reliability Method (FORM), são utilizadas para o cálculo das probabilidades envolvidas nesta formulação. Já o MOT combina o Método dos Elementos Finitos (MEF) e um modelo de material com algoritmos de otimização para encontrar a distribuição ótima de material em um domínio de projeto pré-estabelecido. As variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material em cada ponto do domínio. Na modelagem pelo MEF utiliza-se elementos de placa estrutural do tipo Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC). Exemplos práticos utilizando ambas as abordagens são apresentados e os seus resultados discutidos com o intuito de se avaliar o potencial de cada técnica para o projeto de micro-acelerômetros capacitivos. / Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) are a class of devices that combine mechanical and electronic functions on a micrometric scale. Through the use of microfabrication techniques, adapted from the semiconductor industry, the integration of mobile structures, sensors, actuators and electronics is performed, allowing the implementation of fully miniaturized systems. Electrostatic accelerometers are among the highest volume MEMS products nowadays, with worldwide annual sales topping 100 million units and growing steadily. Bulk-type accelerometers are generally manufactured using three thick silicon wafers, bonded together one on top of the other. The intermediate layer is obtained by etching processes and consists of a big proof mass suspended by one or more beams. It is separated from the upper and lower wafers by a small gap, resulting in two sets of parallel plate capacitors. The flexibility of the beams allows the mass to move proportionally to the external acceleration and its displacement is estimated by the change in capacitance of the set. The design of such sensors is a complex task, since they depend on many performance requirements, which are most often conflicting. If a design is modified to improve one characteristic, others are inevitably affected. Therefore, optimization techniques are regularly used in the design stage of MEMS sensors. Aiming to improve the performance of capacitive micro-accelerometers, in the present work two optimization techniques are presented, the first is based on Parametric Optimization (PO) and the other is the Topology Optimization Method (TOM). The PO starts from a predefined topology and uses some of its geometric characteristics as design variables. In order to account for uncertainties in the dimensions and material properties, which is a key element in the design and fabrication of MEMS devices, in this work the PO is combined with the Reliability-based Design Optimization (RBDO) method. The First-Order Reliability Method (FORM) is applied to calculate the probabilities involved in the RBDO formulation. The TOM combines the Finite Element Method (FEM) and a material model with optimization techniques to find the best constrained material distribution in a fixed design domain. The design variables are the pseudo-densities that describe the amount of material at each point of the domain. The FE model is discretized using the Reissner-Mindlin plate element with the Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC) formulation. Practical examples using both approaches are presented and discussed in order to evaluate the potential of each technique to the design of capacitive micro-accelerometers.

Neste trabalho é apresentado o estudo teórico-experimental a respeito das propriedades piezoresistivas de dois tipos de materiais com estrutura amorfa. O primeiro material estudado é o carbono semelhante ao diamante e o segundo é o óxido de estanho dopado com índio. O estudo compreende o levantamento bibliográfico sobre os materiais, projeto teórico e prático de estruturas individuais de testes e piezoresistores configurados em ponte completa, além da realização das caracterizações elétricas, mecânicas e térmicas de acordo com um arranjo experimental proposto. As caracterizações experimentais foram implementadas usando a técnica de flexão de uma viga engastada e a teoria das pequenas deflexões. Os diferentes materiais caracterizados e analisados apresentaram o efeito piezoresistivo e um sinal de sensibilidade mecânica condizente com as características esperadas para estes filmes. Ambos os filmes respondem as variações da temperatura de forma linear e apresentam uma direção de dependência com a temperatura. Os filmes de carbono amorfo hidrogenado livre de dopantes apresentam curvas de corrente e tensão características indicando um mecânismo de condução elétrica complexo devido a sua diversidade de microestruturas e relacionado aos parâmetros de processos de deposição. Os filmes com nitrogênio são mais estáveis termicamente com coeficientes da ordem de - 4900 ppm/ºC. Os resultados encontrados indicam a existência de dois tipos de portadores de cargas responsáveis pela mobilidade média, resistividade e efeito piezoresistivo. Os filmes de óxido de estanho dopado com índio livre e com 5 % e 10 % de oxigênio no plasma apresentam características de diminuição da resistência elétrica com o esforço mecânico e exibem efeitos de piezoresistividade na faixa de - 12 a - 23. Amostras destes filmes com oxigênio apresentaram um fator de sensibilidade mecânica muito baixa e são menos estáveis termicamente que as amostras livres de oxigênio. Os filmes estudados podem ser usados em aplicações envolvendo extensiometria ou mesmo em sensores de pressão piezoresistivos após adequação do processo de deposição e de recozimentos térmicos. / This tesis presents the piezoresistivity theoretical and experimental study for two materials with amorphous structure. The first material is the Diamond Like Carbon and the other is the Indium Tin Oxide. The work includes the bibliographic study, theoretical and practical design of structures for testing individual and piezoresistors configured in bridge, in addition to the completion of the characterizations electrical, mechanical and thermal according to a proposed experimental arrangement. The experimental characterizations have been implemented using the technique of cantilever and the theory of small deflections. The different materials analyzed showed the piezoresistive effect with some order of magnitude and a sign of sensitivity to mechanical stress of tension consistent with the characteristics expected for these types of films. Both films respond to changes in temperature in a very linear and have a direction of dependency with the temperature according to the literature. The films of free doping have curves of current and voltage characteristics for this type of material indicating a mechanism of electric conduction very complex because of its diversity of microstructures and processes related to the parameters of the deposition and films with nitrogen are more thermally stable with coefficients of order of - 4900 ppm/ºC. The results indicate the existence of two types of charge carriers responsible for the average mobility and hence the resistivity and the piezoresistive effect. The films of indium tin oxide free and with some oxygen content in plasma presents characteristics of decreased electrical resistance to mechanical stress and exhibit effects of piezoresistive in the range of - 12 to - 23. Samples of these films with oxygen showed a factor of very low mechanical sensitivity and are less stables to thermal effect the samples free of oxygen. The films studied can be used in certain applications such strain gauges or even in piezoresistive pressure sensors, after adequate process of deposition and thermal annealing.

Microssistemas eletromecânicos ou Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), representam uma classe de dispositivos que combinam funções mecânicas e eletrônicas em escala micrométrica. Através do uso de técnicas de microfabricação, adaptadas da indústria de semicondutores, é realizada a integração entre estruturas móveis, sensores, atuadores e eletrônica, tornando possível a implementação de sistemas completos miniaturizados. Acelerômetros eletrostáticos estão entre os dispositivos MEMS mais comercializados hoje em dia, com venda anual em todo o mundo superior a 100 milhões de unidades e crescente a cada ano. Eles são geralmente fabricados utilizando-se três lâminas de silício espessas, coladas uma sobre a outra. A camada intermediária é obtida por processos de corrosão e consiste de uma grande massa de prova suspensa por uma ou mais vigas. Ela é separada das lâminas superior e inferior por um pequeno espaço vazio (gap), dando origem a dois conjuntos de capacitores de placas paralelas. A flexibilidade das vigas permite que a massa se mova proporcionalmente à aceleração externa e o seu deslocamento é estimado pela variação da capacitância do conjunto. O projeto destes sensores é uma tarefa complexa, já que os seus diversos requisitos de desempenho são, na maioria das vezes, conflitantes, isto é, se o projeto é modificado para melhorar uma característica, as demais são inevitavelmente afetadas e por isso técnicas de otimização devem ser utilizadas na etapa de projeto. Com o intuito de melhorar o desempenho de micro-acelerômetros capacitivos, são então propostas e avaliadas no atual trabalho duas técnicas de otimização distintas, sendo uma delas baseada em Otimização Paramétrica (OP) e a outra no Método da Otimização Topológica (MOT). A OP parte de uma topologia previamente definida e adota algumas de suas características geométricas como variáveis de projeto. Para levar em consideração incertezas nas dimensões e propriedades dos materiais, que é um elemento-chave na concepção e fabricação de dispositivos MEMS, neste trabalho a OP é combinada com o método da Otimização de Projeto Baseado em Confiabilidade ou Reliability-based Design Optimization (RBDO). Análises de confiabilidade de primeira ordem através do Método de Confiabilidade de Primeira Ordem, ou First-Order Reliability Method (FORM), são utilizadas para o cálculo das probabilidades envolvidas nesta formulação. Já o MOT combina o Método dos Elementos Finitos (MEF) e um modelo de material com algoritmos de otimização para encontrar a distribuição ótima de material em um domínio de projeto pré-estabelecido. As variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material em cada ponto do domínio. Na modelagem pelo MEF utiliza-se elementos de placa estrutural do tipo Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC). Exemplos práticos utilizando ambas as abordagens são apresentados e os seus resultados discutidos com o intuito de se avaliar o potencial de cada técnica para o projeto de micro-acelerômetros capacitivos. / Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) are a class of devices that combine mechanical and electronic functions on a micrometric scale. Through the use of microfabrication techniques, adapted from the semiconductor industry, the integration of mobile structures, sensors, actuators and electronics is performed, allowing the implementation of fully miniaturized systems. Electrostatic accelerometers are among the highest volume MEMS products nowadays, with worldwide annual sales topping 100 million units and growing steadily. Bulk-type accelerometers are generally manufactured using three thick silicon wafers, bonded together one on top of the other. The intermediate layer is obtained by etching processes and consists of a big proof mass suspended by one or more beams. It is separated from the upper and lower wafers by a small gap, resulting in two sets of parallel plate capacitors. The flexibility of the beams allows the mass to move proportionally to the external acceleration and its displacement is estimated by the change in capacitance of the set. The design of such sensors is a complex task, since they depend on many performance requirements, which are most often conflicting. If a design is modified to improve one characteristic, others are inevitably affected. Therefore, optimization techniques are regularly used in the design stage of MEMS sensors. Aiming to improve the performance of capacitive micro-accelerometers, in the present work two optimization techniques are presented, the first is based on Parametric Optimization (PO) and the other is the Topology Optimization Method (TOM). The PO starts from a predefined topology and uses some of its geometric characteristics as design variables. In order to account for uncertainties in the dimensions and material properties, which is a key element in the design and fabrication of MEMS devices, in this work the PO is combined with the Reliability-based Design Optimization (RBDO) method. The First-Order Reliability Method (FORM) is applied to calculate the probabilities involved in the RBDO formulation. The TOM combines the Finite Element Method (FEM) and a material model with optimization techniques to find the best constrained material distribution in a fixed design domain. The design variables are the pseudo-densities that describe the amount of material at each point of the domain. The FE model is discretized using the Reissner-Mindlin plate element with the Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC) formulation. Practical examples using both approaches are presented and discussed in order to evaluate the potential of each technique to the design of capacitive micro-accelerometers.

Materiais piezelétricos geram deslocamentos ao serem excitados com potencial elétrico, bem como potencial elétrico ao serem submetidos a força ou pressão. Eles são amplamente utilizados em aplicações relacionadas principalmente com a área de Mecânica de Precisão, Mecatrônica e aquisição de imagens por Ultra-Som. Por outro lado, os Materiais com Gradação Funcional (MGF) são materiais avançados compostos, os quais são projetados de forma que sua composição varie gradualmente numa direção espacial. Esses materiais combinam as vantagens de certas características de cada fase constitutiva; por exemplo, alta resistência à temperatura dos materiais cerâmicos com alta resistência mecânica dos metais. Vários trabalhos têm mostrado as vantagens de aplicar o conceito MGF ao projeto de transdutores piezelétricos. Entre essas vantagens podem-se mencionar: (i) atuadores flextensionais ou bilaminares sem interface entre materiais (ex: PZT e Alumínio); (ii) suavização da distribuição de tensões mecânicas; e (iii) aumento da largura de banda e redução das ondas refletidas em transdutores de ultra-som, principalmente. No entanto, na mesma literatura se observa uma carência de métodos computacionais para a sua modelagem e o seu projeto otimizado e sistemático. Baseado nessas idéias, esta tese propõe a formulação e desenvolvimento de modelos analíticos, algoritmos de elementos finitos, e algoritmos de otimização topológica para projetar Transdutores Piezelétricos com Gradação Funcional (TPGF) inovadores. Adicionalmente, amostras de TPGFs são fabricadas mediante Spark Plasma Sintering SPS, sendo estudado o seu comportamento dinâmico e as suas características micro-estruturais. Assim, através de modelagem, análise, simulação, projeto otimizado, fabricação e caracterização explora-se a potencialidade do conceito de MGF em TPGFs; em particular, evidenciam-se as melhoras que os TPGF podem trazer em aplicações de ensaios não-destrutivos e aquisição de imagens médicas por ultra-som, e no aumento da vida útil de transdutores piezelétricos flextensionais. / Piezoelectric materials generate displacements when they are excited by electrical potential and electrical potential when they are excited by force or pressure. These materials are widely applied in Precision Mechanics, Mechatronics, and Ultrasonic imaging areas. On the other hand, Functionally Graded Materials (FGM) are advanced materials, whose properties change continuously in a specified direction. These materials combine desirable features of their constituent phases; for instance, high temperature resistance typical of ceramics with mechanical strength of metals. Several works have shown the advantages of applying FGM concept to piezoelectric transducer design. These advantages are; for example: (i) flextensional actuators without interfaces (e.g. PZT and Aluminum); (ii) smoothing mechanical stresses; and (iii) increasing bandwidth and reducing reflected waves in ultrasonic transducers. However, in the literature, a lack of computational methods for modeling and systematic designing of Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT) is observed. According to above ideas, this work proposes the formulation and development of analytical models, finite element algorithms, and topology optimization algorithms to design novel Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT). In addition, FGPT samples are manufactured by using Spark Plasma Sintering SPS, where it is studied their dynamic behavior and their microstructural characteristics. Hence, by performing analysis, optimal designing, manufacturing and characterization, the FGM concept potential is explored for FGPTs; particularly, FGPTs can bring advantages in ultrasonic non-destructive testing and ultrasonic medical imaging, and increasing life-time of flextensional piezoelectric transducers.

Materiais piezelétricos geram deslocamentos ao serem excitados com potencial elétrico, bem como potencial elétrico ao serem submetidos a força ou pressão. Eles são amplamente utilizados em aplicações relacionadas principalmente com a área de Mecânica de Precisão, Mecatrônica e aquisição de imagens por Ultra-Som. Por outro lado, os Materiais com Gradação Funcional (MGF) são materiais avançados compostos, os quais são projetados de forma que sua composição varie gradualmente numa direção espacial. Esses materiais combinam as vantagens de certas características de cada fase constitutiva; por exemplo, alta resistência à temperatura dos materiais cerâmicos com alta resistência mecânica dos metais. Vários trabalhos têm mostrado as vantagens de aplicar o conceito MGF ao projeto de transdutores piezelétricos. Entre essas vantagens podem-se mencionar: (i) atuadores flextensionais ou bilaminares sem interface entre materiais (ex: PZT e Alumínio); (ii) suavização da distribuição de tensões mecânicas; e (iii) aumento da largura de banda e redução das ondas refletidas em transdutores de ultra-som, principalmente. No entanto, na mesma literatura se observa uma carência de métodos computacionais para a sua modelagem e o seu projeto otimizado e sistemático. Baseado nessas idéias, esta tese propõe a formulação e desenvolvimento de modelos analíticos, algoritmos de elementos finitos, e algoritmos de otimização topológica para projetar Transdutores Piezelétricos com Gradação Funcional (TPGF) inovadores. Adicionalmente, amostras de TPGFs são fabricadas mediante Spark Plasma Sintering SPS, sendo estudado o seu comportamento dinâmico e as suas características micro-estruturais. Assim, através de modelagem, análise, simulação, projeto otimizado, fabricação e caracterização explora-se a potencialidade do conceito de MGF em TPGFs; em particular, evidenciam-se as melhoras que os TPGF podem trazer em aplicações de ensaios não-destrutivos e aquisição de imagens médicas por ultra-som, e no aumento da vida útil de transdutores piezelétricos flextensionais. / Piezoelectric materials generate displacements when they are excited by electrical potential and electrical potential when they are excited by force or pressure. These materials are widely applied in Precision Mechanics, Mechatronics, and Ultrasonic imaging areas. On the other hand, Functionally Graded Materials (FGM) are advanced materials, whose properties change continuously in a specified direction. These materials combine desirable features of their constituent phases; for instance, high temperature resistance typical of ceramics with mechanical strength of metals. Several works have shown the advantages of applying FGM concept to piezoelectric transducer design. These advantages are; for example: (i) flextensional actuators without interfaces (e.g. PZT and Aluminum); (ii) smoothing mechanical stresses; and (iii) increasing bandwidth and reducing reflected waves in ultrasonic transducers. However, in the literature, a lack of computational methods for modeling and systematic designing of Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT) is observed. According to above ideas, this work proposes the formulation and development of analytical models, finite element algorithms, and topology optimization algorithms to design novel Functionally Graded Piezoelectric Transducers (FGPT). In addition, FGPT samples are manufactured by using Spark Plasma Sintering SPS, where it is studied their dynamic behavior and their microstructural characteristics. Hence, by performing analysis, optimal designing, manufacturing and characterization, the FGM concept potential is explored for FGPTs; particularly, FGPTs can bring advantages in ultrasonic non-destructive testing and ultrasonic medical imaging, and increasing life-time of flextensional piezoelectric transducers.