Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-03-27T15:52:15Z No. of bitstreams: 1 joaogabrielrochasilva.pdf: 4504745 bytes, checksum: 5d371d913693d1bf3a9425d887ab2ed1 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-03-27T17:49:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 joaogabrielrochasilva.pdf: 4504745 bytes, checksum: 5d371d913693d1bf3a9425d887ab2ed1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-27T17:49:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 joaogabrielrochasilva.pdf: 4504745 bytes, checksum: 5d371d913693d1bf3a9425d887ab2ed1 (MD5) Previous issue date: 2018-02-23 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A simulação da atividade eletromecânica do coração é uma ferramenta relevante para a interpretação e estudos de medidas fisiológicas e diversos fenômenos cardíacos. Entretanto, modelos computacionais para este propósito podem ser computacionalmente custosos. Assim, são propostos neste trabalho três modelos simplificados, a nível celular, que foram capazes de reproduzir de forma quantitativa o fenômeno da contração de miócitos cardíacos. Para obtenção destes modelos um ajuste de parâmetros foi realizado via algoritmos genéticos. Os modelos propostos com parâmetros ajustados apresentaram resultados satisfatórios para reprodução da força ativa do coração com a vantagem de serem baseados em apenas duas equações diferenciais ordinárias. Além disso, o modelo final foi validado utilizando simulações envolvendo extra-sístoles, sendo capaz de reproduzir o fenômeno de alternância na força ativa. / The simulation of the heart electromechanical activity is a relevant tool for the interpretation and studies of physiological measures and various cardiac phenomena. However, computational models for this purpose may be computationally costly. Thus, three simplified models which were able to quantitatively reproduce the phenomenon of cardiac myocyte contraction were proposed in this work. At the cellular level, they were able to quantitatively reproduce the phenomenon of cardiac myocyte contraction. A parameter adjustment via genetic algorithm was performed to obtain these models. The proposed models with adjusted parameters presented satisfactory results for the reproduction of the active force of the heart with the advantage of being based on only two ordinary differential equations. In addition, the final model was validated using simulations involving extra-systoles, being able to reproduce the phenomenon of alternation in the active stress.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma plataforma inercial autônoma com três graus de liberdade para aplicação em estabilização de sensores - por exemplo, gravimétricos estacionários e embarcados - podendo ser utilizada também para estabilização de câmeras. O sistema é formado pela Unidade de Medida Inercial, IMU, desenvolvida utilizando um sensor micro eletromecânico, MEMS - que possui acelerômetro, giroscópio e magnetômetros nos três eixos de orientação - e um microcontrolador para aquisição, processamento e envio dos dados ao sistema de controle e aquisição de dados. Para controle dos ângulos de inclinação e orientação da plataforma, foi implementado um controlador PID digital utilizando microcontrolador. Este recebe os dados da IMU e fornece os sinais de controle utilizando as saídas PWM que acionam os motores, os quais controlam a posição da plataforma. Para monitoramento da plataforma foi desenvolvido um programa para aquisição de dados em tempo real em ambiente Matlab, por meio do qual se pode visualizar e gravar os sinais da IMU, os ângulos de inclinação e a velocidade angular. Testou-se um sistema de transmissão de dados por rádio frequência entre a IMU e o sistema de aquisição de dados e controle para avaliar a possibilidade da não utilização de slip rings ou fios entre o eixo de rotação e os quadros da plataforma. Entretanto, verificou-se a inviabilidade da transmissão em razão da baixa velocidade de transmissão e dos ruídos captados pelo receptor de rádio frequência durante osmovimentos da plataforma. Sendo assim, dois pares de fios trançados foram utilizados fios para conectar o sensor inercial ao sistema de aquisição e processamento. / This work presents the development of a three-degree of freedom autonomous inertial platform for the use in sensors stabilization - for example, stationary and embedded gravimeters. It can also be used to stabilize cameras. The system is composed by the Inertial Measurement Unit, IMU, developed using a micro electromechanical sensor, MEMS - which has an accelerometer, a gyroscope and a magnetometer in the three axes of orientation - and a microcontroller for data acquisition, data processing and data sending to the control and data acquisition system. To control the platform angles and its orientation, a digital PID controller was implemented using a microcontroller. It receives data from the IMU and provides the control signals using the PWM outputs that drive the motors to control the platform position. In order to supervise the platform operation, a real time data acquisition software was developed in Matlab, where IMU signals, inclination angles and angular velocities can be displayed and recorded. Data transmission via radio frequency between the IMU and the data acquisition and control system was tested in order to evaluate the possibility of not using slip rings or wires between the rotation axis and platform frames. This approach was unsuccessful due to the low speed of data transmission and to the noise that affected the radio frequency receiver during the platform\'s movements. In view of that wire was used to directly connect the inertial sensor to the acquisition and processing system.

O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela alta demanda de novas aplicações para o mercado do consumidor que necessitam de sistemas de transmissão e recepção de dados sem fio trabalhando na região de ondas milimétricas (mmW - entre 30 GHz e 300 GHz). Para estes tipos de sistemas, os defasadores são cruciais por definir o custo e o tamanho do dispositivo final. A pesquisa bibliográfica mostra que a melhor opção são os defasadores passivos do tipo linha carregada que utilizam Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) como elemento de ajuste para a mudança de fase. Por esse motivo neste trabalho foi feito o estudo de diferentes tecnologias para o desenvolvimento de defasadores baseados em MEMS distribuídos e linhas de transmissão com efeito de ondas lentas de tipo shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) e shielded-Coplanar Waveguide (S-CPW). Foram estudadas três diferentes tecnologias: a tecnologia CMOS; a tecnologia dedicada desenvolvida pelo Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) e a tecnologia in-house desenvolvida no Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo. Utilizando a tecnologia CMOS foram fabricadas linhas de transmissão de tipo S-CPS utilizando a tecnologia de 250 nm da IHP (Innovations for High Performance Microelectronics) e a tecnologia de 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems). A tecnologia de 0,35 µm da AMS foi utilizada também para o desenvolvimento de defasadores de 2-bits e 3-bits baseados em linhas de transmissão de tipo S-CPW. Para estes defasadores foi definido um processo de liberação da camada de blindagem, reprodutível, que permitiu a atuação do dispositivo. Outros defasadores baseados em S-CPW que foram desenvolvidos anteriormente com a tecnologia dedicada CEA-LETI, foram modelados eletrostaticamente utilizando o Comsol MultiPhysics e o Ansys Workbench. Os modelos desenvolvidos permitiram entender o comportamento eletromecânico do defasador e foram utilizados reprojetar o defasador com um desempenho otimizado. Finalmente, visando o desenvolvimento dos dispositivos otimizados utilizando a tecnologia in house com os materiais e métodos disponíveis no Laboratório de Microeletrônica da USP (LME-USP), foram estudadas algumas etapas críticas do processo de fabricação. / The development of this work is motivated by the high demand for new applications for the consumer market that require wireless systems for data transmission and reception working in the millimeter wave region (mmW - between 30 GHz and 300 GHz). For these kinds of systems, the phase shifter are crucial to define the cost and size of the final device. The bibliographical research shows that the best option are the passive load line-type phase shifters using Microelectromechanical Systems (MEMS) as tuning element. Therefore, in this work, the study of different technologies for the development of phase shifter based on distributed MEMS and slow-wave transmission lines. The two types of transmission lines considered were the shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) and shielded-Coplanar Waveguide line (S-CPW). Three different technologies were studied: CMOS technology; the dedicated technology developed by the Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) and the in-house technology developed at the Microelectronics Laboratory of the University of São Paulo. Using the CMOS technology, S-CPS-type transmission lines were fabricated using IHP\'s 250 nm CMOS technology and AMS\'s 0.35 µm CMOS technology. AMS\'s 0.35 µm technology has also been used for the development of 2-bit and 3-bit phase-shifters based on S-CPW type transmission lines. For these phase shifters, a reproducible shielding layer release process was defined that allowed the device to operate. Also, another phase shifter based in S-CPW-type transmission lines that were previously developed with dedicated CEA-LETI technology was electrostatically modeled using Comsol MultiPhysics and Ansys Workbench. The developed models allowed to understand the electromechanical behavior of the phase shifter and was used for a new design of the phase shifter with an optimized performance. Finally, in order to develop the optimized devices using the in-house technology with the materials and methods available at the USP Microelectronics Laboratory (LME-USP), some critical stages of the fabrication process were studied.

O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela alta demanda de novas aplicações para o mercado do consumidor que necessitam de sistemas de transmissão e recepção de dados sem fio trabalhando na região de ondas milimétricas (mmW - entre 30 GHz e 300 GHz). Para estes tipos de sistemas, os defasadores são cruciais por definir o custo e o tamanho do dispositivo final. A pesquisa bibliográfica mostra que a melhor opção são os defasadores passivos do tipo linha carregada que utilizam Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) como elemento de ajuste para a mudança de fase. Por esse motivo neste trabalho foi feito o estudo de diferentes tecnologias para o desenvolvimento de defasadores baseados em MEMS distribuídos e linhas de transmissão com efeito de ondas lentas de tipo shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) e shielded-Coplanar Waveguide (S-CPW). Foram estudadas três diferentes tecnologias: a tecnologia CMOS; a tecnologia dedicada desenvolvida pelo Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) e a tecnologia in-house desenvolvida no Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo. Utilizando a tecnologia CMOS foram fabricadas linhas de transmissão de tipo S-CPS utilizando a tecnologia de 250 nm da IHP (Innovations for High Performance Microelectronics) e a tecnologia de 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems). A tecnologia de 0,35 µm da AMS foi utilizada também para o desenvolvimento de defasadores de 2-bits e 3-bits baseados em linhas de transmissão de tipo S-CPW. Para estes defasadores foi definido um processo de liberação da camada de blindagem, reprodutível, que permitiu a atuação do dispositivo. Outros defasadores baseados em S-CPW que foram desenvolvidos anteriormente com a tecnologia dedicada CEA-LETI, foram modelados eletrostaticamente utilizando o Comsol MultiPhysics e o Ansys Workbench. Os modelos desenvolvidos permitiram entender o comportamento eletromecânico do defasador e foram utilizados reprojetar o defasador com um desempenho otimizado. Finalmente, visando o desenvolvimento dos dispositivos otimizados utilizando a tecnologia in house com os materiais e métodos disponíveis no Laboratório de Microeletrônica da USP (LME-USP), foram estudadas algumas etapas críticas do processo de fabricação. / The development of this work is motivated by the high demand for new applications for the consumer market that require wireless systems for data transmission and reception working in the millimeter wave region (mmW - between 30 GHz and 300 GHz). For these kinds of systems, the phase shifter are crucial to define the cost and size of the final device. The bibliographical research shows that the best option are the passive load line-type phase shifters using Microelectromechanical Systems (MEMS) as tuning element. Therefore, in this work, the study of different technologies for the development of phase shifter based on distributed MEMS and slow-wave transmission lines. The two types of transmission lines considered were the shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) and shielded-Coplanar Waveguide line (S-CPW). Three different technologies were studied: CMOS technology; the dedicated technology developed by the Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) and the in-house technology developed at the Microelectronics Laboratory of the University of São Paulo. Using the CMOS technology, S-CPS-type transmission lines were fabricated using IHP\'s 250 nm CMOS technology and AMS\'s 0.35 µm CMOS technology. AMS\'s 0.35 µm technology has also been used for the development of 2-bit and 3-bit phase-shifters based on S-CPW type transmission lines. For these phase shifters, a reproducible shielding layer release process was defined that allowed the device to operate. Also, another phase shifter based in S-CPW-type transmission lines that were previously developed with dedicated CEA-LETI technology was electrostatically modeled using Comsol MultiPhysics and Ansys Workbench. The developed models allowed to understand the electromechanical behavior of the phase shifter and was used for a new design of the phase shifter with an optimized performance. Finally, in order to develop the optimized devices using the in-house technology with the materials and methods available at the USP Microelectronics Laboratory (LME-USP), some critical stages of the fabrication process were studied.

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

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

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma plataforma inercial autônoma com três graus de liberdade para aplicação em estabilização de sensores - por exemplo, gravimétricos estacionários e embarcados - podendo ser utilizada também para estabilização de câmeras. O sistema é formado pela Unidade de Medida Inercial, IMU, desenvolvida utilizando um sensor micro eletromecânico, MEMS - que possui acelerômetro, giroscópio e magnetômetros nos três eixos de orientação - e um microcontrolador para aquisição, processamento e envio dos dados ao sistema de controle e aquisição de dados. Para controle dos ângulos de inclinação e orientação da plataforma, foi implementado um controlador PID digital utilizando microcontrolador. Este recebe os dados da IMU e fornece os sinais de controle utilizando as saídas PWM que acionam os motores, os quais controlam a posição da plataforma. Para monitoramento da plataforma foi desenvolvido um programa para aquisição de dados em tempo real em ambiente Matlab, por meio do qual se pode visualizar e gravar os sinais da IMU, os ângulos de inclinação e a velocidade angular. Testou-se um sistema de transmissão de dados por rádio frequência entre a IMU e o sistema de aquisição de dados e controle para avaliar a possibilidade da não utilização de slip rings ou fios entre o eixo de rotação e os quadros da plataforma. Entretanto, verificou-se a inviabilidade da transmissão em razão da baixa velocidade de transmissão e dos ruídos captados pelo receptor de rádio frequência durante osmovimentos da plataforma. Sendo assim, dois pares de fios trançados foram utilizados fios para conectar o sensor inercial ao sistema de aquisição e processamento. / This work presents the development of a three-degree of freedom autonomous inertial platform for the use in sensors stabilization - for example, stationary and embedded gravimeters. It can also be used to stabilize cameras. The system is composed by the Inertial Measurement Unit, IMU, developed using a micro electromechanical sensor, MEMS - which has an accelerometer, a gyroscope and a magnetometer in the three axes of orientation - and a microcontroller for data acquisition, data processing and data sending to the control and data acquisition system. To control the platform angles and its orientation, a digital PID controller was implemented using a microcontroller. It receives data from the IMU and provides the control signals using the PWM outputs that drive the motors to control the platform position. In order to supervise the platform operation, a real time data acquisition software was developed in Matlab, where IMU signals, inclination angles and angular velocities can be displayed and recorded. Data transmission via radio frequency between the IMU and the data acquisition and control system was tested in order to evaluate the possibility of not using slip rings or wires between the rotation axis and platform frames. This approach was unsuccessful due to the low speed of data transmission and to the noise that affected the radio frequency receiver during the platform\'s movements. In view of that wire was used to directly connect the inertial sensor to the acquisition and processing system.