O projeto de transdutores piezelétricos envolve modelagens matemáticas e verificações experimentais, que são necessárias para validá-los. Através das análises dos transdutores verificam-se as influências das condições de contorno experimentais e as dificuldades para modelá-las. No entanto, na literatura atual este ponto não é discutido de forma abrangente. Além disso, as propriedades elétricas, piezelétricas e mecânicas dos materiais devem ser conhecidas com precisão para que o modelo represente um transdutor físico. Estas propriedades são fornecidas pelos fabricantes em valores aproximados, porém algumas delas, como por exemplo, o amortecimento mecânico, não são fornecidas, o que dificulta a modelagem. Por estes motivos, este trabalho trata do desenvolvimento de técnicas de verificações experimentais de transdutores piezelétricos, visando esclarecer efeitos relacionados às variações nas condições de contorno devido à fixação de pequenos espelhos e a fixação do próprio transdutor num suporte, e propor formas de incorporar esses efeitos nos modelos matemáticos. Além disso, propõe-se uma metodologia para a determinação do coeficiente de amortecimento das cerâmicas piezelétricas. São apresentadas as técnicas ópticas utilizadas na medição dinâmica e estática de deslocamentos de transdutores piezelétricos, os problemas das influências mecânicas, como vibrações ambientes, nas análises ópticas e as respectivas soluções adotadas. As análises numéricas foram conduzidas com o software de elementos finitos ANSYS e os resultados comparados com as verificações experimentais. Os materiais analisados são piezocerâmicas PZT-5A, piezoatuadores flextensionais, projetados pelo método de otimização topológica e um piezoatuador bilaminar. Nos resultados apresentados são mostrados os desvios e os comentários sobre as possíveis causas. / Piezoelectric transducer design is done by using numerical method and experimental analysis, which are needed to validate it. Transducers analysis allow us to verify the influence of experimental boundary conditions and the difficulties to model them. However, in the current literature this point is not discussed in a comprehensive way. In addiction, electrical, piezoelectric and mechanical material properties must be known with accuracy, to represent a real transducer. Approximately values of these properties are provided by manufacturers, however other property values are not provided, such as for example, mechanical damping, which causes difficulties for modelling. Therefore, this work is about the development of experimental techniques to analyze piezoelectric transducers, aiming to understand the effects related to boundary conditions changes due to stick of small mirrors and the way the transducer is held, and suggest of way to incorporate these effects in mathematical model. In addiction, suggests a methodology to determine the piezoceramics damping coefficient. It is described optical techniques used for displacement measurements of piezoelectric transducer in dynamic and static operation, problems related to mechanical influences in optical analysis, such as environment vibration, and respective applied solutions. Numerical analysis are conducted by using finite element software, ANSYS, and the results are compared with experimental verification. The materials analyzed are piezoceramic PZT-5A, flextensional piezoactuators, designed by using topology optimization and a bimorph pizoactuator. In the present results is shown the deviation and comments about possible cause.

Este trabalho teve por objetivo desenvolver e caracterizar um conjunto transdutor piezelétrico de potência e pinça laparoscópica para cortes homeostáticos, o qual constitui parte fundamental do projeto do Bisturi Ultrassônico Nacional. O transdutor, do tipo Langevin, é composto por quatro cerâmicas piezelétricas que convertem energia elétrica em deslocamento mecânico. Um componente importante do transdutor é o amplificador mecânico, cuja finalidade é aumentar a amplitude do deslocamento. O transdutor e o amplificador foram desenvolvidos através de um modelo axissimétrico de elementos finitos implementado no software ANSYS e a lâmina foi desenvolvida através de um modelo tridimensional em elementos finitos. Para cada associação, entre os componentes, os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico, foram comparados com os resultados experimentais. Também foi desenvolvido um mecanismo inovador de acionamento da pinça laparoscópica. O resultado desta pesquisa proporcionou uma inovação tecnológica na área médica, contribuindo assim para o progresso tecnológico do país. / The aim of this work was to develop and characterize a high power piezoelectric transducer coupled to a laparoscopic forceps for homeostatic cuts, which is a fundamental part of the National Ultrasonic Scalpel Project. The Langevin type transducer consists of four piezoelectric ceramics that convert electrical energy into mechanical displacement. An important component of the transducer is the mechanical amplifier, which increases the amplitude of displacement. The transducer and amplifier have been developed through an axisymmetric finite element model, implemented in ANSYS, and the blade was developed using a three-dimensional finite element model. For each association between the components, the numerical results of the frequency response of the electrical impedance and electromechanical coupling coefficient were compared with the experimental results. An innovative drive mechanism was developed for the laparoscopic forceps. The result of this research provided a technological innovation in the medical field, thus contributing to the technological progress of the country.

Desde o ano 2000, o Grupo de Alta Tensão e Materiais (GATM) tem contribuído com suas pesquisas no desenvolvimento de processos para produção de novos transdutores piezoelétricos de materiais poliméricos, baseados na tecnologia dos piezoeletretos. Essa intensa investigação se justifica pelas excelentes propriedades piezoelétricas desses dispositivos, com atividade na ordem de centenas e até milhares de pC/N, ultrapassando o desempenho de algumas tradicionais cerâmicas. Destacam-se também nestes sensores, sua estrutura flexível e robusta, sua resposta na faixa de frequências ultrassônicas e seu baixo custo. Características estas que os tornam muito competitivos com os transdutores convencionais, cerâmicos e poliméricos, a exemplo do PZT e PVDF, respectivamente. Neste contexto, desenvolveu-se em 2009 no GATM um novo arranjo polimérico de múltiplos canais, em que filmes de teflon FEP foram termicamente moldados e depois expostos a um intenso campo elétrico (na ordem de kV), criando sensores com elevado coeficiente piezoelétrico. Esse novo dispositivo, batizado de Piezoeletreto de Canais Tubulares (PCT) foi construído por meio de um processo de fabricação organizado e controlado, diferentemente dos piezoeletretos vistos até então. No presente trabalho construiu-se um protótipo de hidrofone com elemento ativo dado por um filme de PCT, para aplicações de até 100 kHz e com uma eletrônica de pré-amplificação em 24 dB. O primeiro teste com o protótipo restringiu-se à obtenção da sua sensibilidade. Realizaram-se ainda testes de caracterização quanto ao padrão de diretividade e a relação sinal-ruído. A calibração foi feita em três diferentes modalidades de geração do sinal: AM, CW e Burst, todas de maneira comparativa com o auxílio de um hidrofone comercial. A sensibilidade média encontrada nas medidas foi de 0,142 mV/Pa (-196,93 dB re 1 V/&#956Pa) e, na ressonância (40 kHz) de 1,698 mV/Pa (-175,4 dB re 1 V/&#956Pa). A segunda fase de testes destinou-se a geração de imagens para diagnóstico clínico, baseada na técnica de Vibroacustografia (VA). Verificou- se a viabilidade do uso da VA com o mapeamento de dois objetos distintos, uma pequena esfera metálica de 1 mm de diâmetro e uma estrutura óssea. / Since 2000, the High-Voltage and Materials Group (GATM) has focused its research on developing new processes for manufacture piezoelectric transducers, from polymeric materials based on the piezoelectret technology. This intense research is justified by the excellent electromechanical properties of these devices, with piezoelectric coefficient in the order of hundreds up to thousands of pC/N, exceeding the performance of the most traditional ceramics. Other highlights of these sensors are the flexible and robust structure, its wide range response in ultrasonic frequencies and low cost. These characteristics make them very competitive with those conventional ceramic and polymeric transducers, such as the PZT and PVDF, respectively. In this context, in 2009 a new polymeric multiple film arrangement was laminated to create an open channel structure that after been exposed to an intense electric field (on the order of kV), produces a piezoelectric sensor with high piezoelectricity. This new device was built by an organized and controlled process, unlike the piezoelectrets seen so far. The main features inherent to tubular channels piezoelectret are the constructive uniformity, control of the resonance frequency and greater thermal stability, when compared to other piezoelectric polymers. Based on these tubular piezoelectrets, in the current study, a prototype of a 24dB preamplifier ultrasonic hydrophone was built. The first test with the prototype restricted to obtaining its sensitivity. Further tests were performed to characterize the pattern of directivity and signal-to-noise ratio. The calibration tests were conducted on three different approaches to signal generation AM, CW and Burst; all in a comparative manner with the aid of a calibration standard hydrophone. The results showed a transducer with average sensitivity of 0.142 mV/Pa (-196.93 dB re 1 V/&#956Pa), and the resonance region at 40 kHz with a sensitivity of 1,698 mV/Pa (-175.4 dB re 1 V/&#956Pa) and a unidirectional sensitive region. The feasibility of producing images by VA has been verified by mapping two distinct objects, a small metal sphere of 1 mm diameter and a bone structure.

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) deverá estabelecer a regulamentação para distúrbios de qualidade de energia em um futuro próximo. Há ainda questões em aberto sobre os procedimentos de medição e limites máximos para os indicadores de qualidade de energia. Este trabalho aborda uma dessas questões, que é a conexão de transdutores e os impactos nos índices de qualidade de energia associados. Simulações em ATPDraw e campanhas de medição foram realizadas de modo a identificar o comportamento dos indicadores de distorção harmónica sob as duas configurações possíveis de conexão de transdutores: dois equipamentos com ligação entre fases ou três com ligação fase-neutro. Os resultados das simulações e os valores medidos mostram grandes discrepâncias entre ambas as configurações, e as diferenças tornam-se ainda mais significativas com o incremento do desequilíbrio do sistema elétrico. As causas subjacentes deste fenômeno são investigadas e discutidas / The Brazilian electricity regulatory agency (ANEEL) is expected to establish a legal framework for quality disturbances in the near future. There are still some open questions regarding metering procedures and maximum limits for Power Quality indicators. This work addresses one of such issues, namely the connection of the associated transducers and its impact on PQ indexes. Simulations in ATPDraw and on-field measurement campaigns were carried out so as to identify the behavior of harmonic distortion indicators under the two possible transducer configurations: two phase-to-phase or three phase-to-neutral transducers. Simulation results and measured values show large discrepancies between both configurations, and the differences become more significant as the electrical systems unbalance increases. The underlying causes of this phenomenon are investigated and discussed.

<p>Implantable biomedical devices have been widely used to treat a variety of diseases for many decades. If allowed by the size and form factor, batteries have been the power source of choice in implantable devices (e.g., cardiac pacemakers). Batteries are, however, still big and come in shapes that are not ideal for minimally invasive deployment. Inductive powering is another commonly used energy source in which two well-aligned coils allow a transmitter to power the implanted receiver (e.g., cochlear implants). Once the receiver coil becomes small (mm-scale), the inductive powering link becomes very inefficient and sensitive to slight misalignment between the coils. Hence, it becomes increasingly difficult to power small devices implanted deep (>5 cm) within the tissue using inductive powering. Ultrasonic powering is an attractive alternative for powering miniature devices since it can penetrate deep into the tissue, it has greater efficiency at mm-scale receiver size, it can be omni-directional, and it is more amenable to miniaturization.</p> <p>In this dissertation, I describe the use of ultrasonic waves to power and control mm-scale implantable devices. After a detailed look at ultrasonic transmission link, I will discuss factors affecting the power transfer efficiency. These include the effect of receiver aspect ratio and size on the resonant frequency and factors related to acoustic and electrical matching. A 3D printed acoustic matching layer in then described. I will discuss two applications using ultrasound to power and control implantable devices. The first is a low-power on-off acoustic control scheme to reduce the standby power consumption in implantable devices. The second is an ultrasonically powered electrolytic ablator with an on-board micro-light-source for the treatment of cancer.</p>

Este trabalho apresenta um estudo do processo de corte de pequenas placas de piezocerâmicas usadas na fabricação de materiais piezocompósitos pelo processo de corte e preenchimento. Foi feito o projeto de uma máquina de corte com disco adiamantado de acordo com as necessidades do processo de corte e preenchimento para produzir piezocompósitos que requerem cortes tão finos quanto 30µm. A máquina utiliza um \"spindle\" com mancais aerostáticos com rotação de até 60.000 rpm para cortes com lâminas de 2 polegadas de diâmetro. Os piezocompósitos são os elementos principais na fabricação de transdutores de ultra-som, com freqüências até 10 MHz, para aplicações médicas e industriais. O estudo do corte com discos adiamantados com pequenas espessuras é baseado no modelo cinemático usado para modelar o processo de retífica por abrasão e em verificações experimentais de corte de pequenas placas de piezocerâmicas. Os resultados experimentais do corte de piezocerâmica tipo PZT com disco adiamantado são analisados com o auxílio de um microscópio óptico. São medidas as imperfeições superficiais dos cortes. / This work presents a study of the diamond blade dicing of piezoceramic slabs to fabricate piezocomposites by dicing and fill process. A diamond blade dicing machine is designed according the needs of the dicing and fill process to produce piezocomposites which requires dicing with diamond blades as thin as 30µm. The dicing machine has a high speed (up to 60.000 rpm) spindle with aerostatic bearings for 2 inches diameter dicing blades. The piezocomposites with frequency up to 10 MHz are the main part of ultrasonic transducers for medical and industrial applications. The study of thin diamond blade dicing is based in the kinematic model for grinding and experimental work. The results of diamond blade dicing of PZT piezoceramic slabs are analysed with an optical microscope and the measurements of superficial cracks are presented.

Orientador: Jozué Vieira Filho / Coorientador: Fabricio Guimarães Baptista / Banca: Suely Cunha Amaro Mantovani / Banca: Fabiano Fruett / Resumo: O monitoramento de integridade estrutural (SHM) baseado na técnica da impedância eletromecânica (EMI) tem sido desenvolvido como uma ferramenta promissora para identificação de falhas estruturais. As aplicações típicas de SHM baseadas em EMI geralmente utilizam um analisador de impedância comercial de alto custo ou sistemas de medição baseados na função de resposta em frequência (FRF). Além do custo elevado, as exigências de capacidade de armazenamento e/ou processamento de dados desses instrumentos são características proibitivas para muitas aplicações. Trabalhos recentes mostram que não é preciso conhecer o valor exato da impedância eletromecânica da estrutura para monitorar sua integridade. Assim, neste trabalho é apresentado um sistema de SHM que permite detectar falhas em estruturas monitorando apenas as variações da tensão elétrica do transdutor. O sistema proposto é portátil, autônomo, rápido, versátil, de baixo custo e substitui com eficiência os instrumentos comerciais na fase de detecção de falhas. A identificação do dano é feita comparando-se as variações da tensão rms da resposta no tempo que um transdutor piezelétrico de PZT, colado na estrutura, fornece para cada frequência do sinal de excitação. Portanto, o sistema proposto não é limitado pela frequência de amostragem, dispensa algoritmos da transformada de Fourier e não exige um computador para processamento, operando de forma autônoma. Um protótipo de baixo custo usando circuitos integrados, um sintetizador digital e um microcontrolador foi construído e testado através de experimentos em estruturas de alumínio para a faixa de frequências a partir de 3 kHz até 50 kHz com boa precisão e estabilidade / Abstract: Structural health monitoring (SHM) based on electromechanical impedance (EMI) technique has been developed as a promising tool for identifying structural damage. Typical applications in SHM based on EMI generally use high-cost commercial impedance analyzers or measurement systems based on frequency response function (FRF). Besides the high cost, the requirements for storage and/or data processing of these instruments are prohibitive features for many applications. Recent studies show that the exact value of the electromechanical impedance is not required for damage detection. Thus, this work presents a SHM system that can detect damage in structures only monitoring the changes in the voltage of the transducer. The proposed system is portable, autonomous, fast, versatile, low-cost and replaces efficiently commercial instruments in the damage detection stage. The identification of damage is done by comparing the variations in the rms voltage of time response signals from a piezoelectric transducer, such as PZT, bonded to the structure. Different time response signals are obtained for each frequency of the excitation signal. Therefore, the proposed system is not limited by the sampling frequency, dispenses Fourier transform algorithms and does not require a computer for processing, operating autonomously. A low-cost prototype using integrated circuits, a microcontroller and a digital synthesizer was built and tested through experiments with aluminum structures for frequencies ranging from 3 kHz to 50 kHz with good accuracy and stability / Mestre

Este trabalho apresenta a modelagem da parte dinâmica de dois transdutores de pressão tipo piezorresistivo. Geralmente processos de calibração dinâmica usam bancadas sofisticadas, mas neste trabalho procurou-se um processo simples e de baixo custo. A metodologia baseou-se em aumentar lentamente a pressão, fornecida por um sistema hidráulico básico, até que ocorresse a explosão de um diafragma e, com isso, obteve-se um degrau de pressão, supostamente ideal. Considerado como sistemas lineares, com a resposta obtida verificou-se qual a ordem e o tipo de sistema correspondente à resposta do transdutor. Através dos dados experimentais determinou-se os parâmetros dinâmicos do modelo matemático. Foram obtidos modelos matemáticos lineares de segunda ordem de cada transdutor. As respostas dos modelos mostram ter uma concordância satisfatória quando comparadas aos dados experimentais. / This work presents a dynamic modeling method for two hydraulic piezoresistive pressure transducers. Usually the dynamic calibration processes apply sophisticated devices, but in this work a simple and low cost process was searched. The methodology was based on increasing the pressure slowly, supplied by a basic hydraulic system, up to a diaphragm explosion, assumed as an ideal step pressure variation. Considered as linear systems, the responses obtained were verified and compared with a second order linear system. Using the experimental data, the dynamic parameters of the mathematical model were determined for each of the two transducers. The theoretical responses of the models showed to have a satisfactory agreement when compared with the experimental data.

Structures made of plate-like components are common in a variety of industries where the impacts of structural failures are severe. In many cases these structures are surrounded and only partially accessible, such as storage tanks and bridges, making them difficult to inspect frequently. The application of ultrasonic Guided Waves (GWs) in the evaluation and monitoring of relatively large plate-like structures is evermore a feasible option with the continuous development of transducer arrays. The use of transducer arrays is however complex due to directional control and the existence of many GW modes. Aimed at the evaluation of plate-like structures, in this research two piezoelectric transducer arrays respectively capable of omnidirectional and unidirectional control of the fundamental GW shear mode in plates (SH0) with above 20 dB mode purity are successfully designed, produced and validated. Omnidirectionality facilitates full structural evaluation coverage and can lead to defect mapping of large volumes with relatively few transducers. A unidirectional beam with relatively high mode purity facilitates evaluation of specific structural locations. Preference to the SH0 mode was given because of its non-dispersive and in-plane propagation properties making it more suitable than other GW modes to propagation in structures surrounded by fluid material. To enable the array development, a number of monolithic piezoelectric thickness-shear transducers of varied area were characterised with respect to GW mode directionality, amplitude and SH0 mode purity. The characterisation of each thickness-shear transducer allows for optimised superposition manipulation for specific applications. A single characterised shear transducer was selected for use in the development of omnidirectional and unidirectional SH0 mode transducer arrays. To aid development a linear superposition analysis model was produced and used to predict for a circular array design the optimum parameters for omnidirectional SH0 mode transmission with significant mode purity. A range of parameter combinations were evaluated and their predicted influence on array performance was characterised. The same method was employed to optimise a dual row linear array design for the unidirectional transducer array. All results were validated by FE models and later with empirical data. Both developed transducer arrays were characterised with respect to GW mode directionality, magnitude and SH0 mode purity. Both their detection sensitivity to pertinent defects and structures was validated, demonstrating relevance to Non Destructive Evaluation (NDE) and Structural Health Monitoring (SHM) applications.

Les études et recherches portant sur les nanomatériaux tels que les nanofils, nanoparticules ou les nano-fibres ont connu un progrès significatif. Le développement de ces structures fut soutenu par les avancées réalisées dans le domaine des technologies de micro fabrication qui permettent de nos jours, l’intégration des nanostructures sur les puces électroniques par le biais des procédés CMOS conventionnels. Ces travaux de thèse portent sur l’étude et le développement de capteurs piézoélectriques souples à base de nanofils de Nitrure de Gallium (GaN) assemblés selon deux architectures. Ces deux géométries furent étudiées dans le cadre d’une approche globale qui traite à la fois de la croissance des fils, la fabrication des capteurs et la caractérisation électrique. En se basant sur des calculs en éléments finis, nous nous sommes d’abord penchés sur la compréhension des mécanismes de fonctionnement des dispositifs dans les deux cas de figures. Nous avons également utilisé cet outil pour établir des règles de design. Les effets des paramètres géométriques des fils et des dimensions des capteurs ont été étudiés d’un point de vue théorique afin de déduire les adaptations qu’il fallait apporter sur nos procédés de fabrication pour cibler les grandeurs optimales. Finalement, des caractérisations électriques ont été réalisées sur les capteurs fabriqués? Dans le but d’approuver les règles de design d’un point de vue expérimental. Dans ce contexte, une électronique appropriée a été développée pour la lecture des signaux piézoélectriques issus des capteurs sollicités en compression sur un banc de test automatisé. / Nanomaterials sush as nanowires, nanoparticles and nanofibers have araised in past few years as a novel solution for next generation electronics thanks to their outstanding physical properties sustained by the capability of being integrated into microchips using conventional CMOS processes. Within the frame of this thematic, piezoelectric wires are one of subjects that has been studied the most recently. They have been used as an active material for electromechanical energy harvesting or sensing applications.This work studies GaN wire-based flexible piezoelectric sensors developped into two different architec-tures. We present a complete overview of the device fabrication and design starting from wire growth by MOVPE to the final electrical characterization of the sensors. Using Finite Element Modelling, we have explored the working principles of both architectures in order to understand deeply the potential genera-tion mechanisms occuring at the wire level. This method was also used to help us establish the main de-sign rules which provided guideness for the fabrication: The effects of wire geometrical parameters and device dimensions on the electrical performances of the devices were studied from a theoritical point of view to figure out the optimal geometry to be targeted by the process and adapt it accordingly. Finally, electrical characterization has been carried out on several devices in order to approve the design rules experimentally. An appropriate automated mechanical bench has been used and a proper readout circuit was developed to be able to correctly detect the actual piezoelectric signal provided by the sensors.