Abstract The main objective of this thesis was to use and combine Finite Element Method (FEM) and small signal equivalent circuit models in actuator and energy harvesting design and to study the dynamics of the said designs. The work is divided into four different sections. In the first section, the small signal parameters are derived for a pre-stressed piezoelectric actuator using a series of measurements. In addition, the tunability of the resonance frequency using mass and series capacitors is investigated. In the second section, a piezoelectric Fabry Perot Interferometer actuator is simulated using FEM and the small signal parameters are derived using FEM simulations. The modelled results are compared with the actual measurements and the resonance frequency is found to differ by only 0.8 percent from the measured values when the mirror is attached to the actuator. In the third section a piezoelectric wide band energy harvester is developed with multiple beam topology. Two different designs are compared, one produced using the conventional PZT-steel structure and one with a PZT-LTCC structure. The final section presents an FEM model for a shoe mounted energy harvester and concentrates on the modelling of walking dynamics in FEM. The simulation results are compared to actual measurements and the simulated power values are found to differ by only 7% when the cymbal stroke is below 1.3 mm. The generated model is also expandable to other types of energy harvesters and the methods developed can be used in a variety of different energy harvesting simulations and harvester development. The results show that the equivalent circuit approach together with FEM modelling is a powerful tool in the dynamics design of piezoelectric actuators and energy harvesters. / Tiivistelmä Väitöstyön päätavoitteena oli yhdistää elementtimenetelmät (FEM) ja piensignaalimallit aktuaattorien ja energiankorjuukomponenttien suunnittelussa ja tutkia niiden dynamiikkaa. Työ on jaettu neljään eri osaan. Ensimmäisessä osassa piensignaalimallit johdettiin pietsosähköisestä aktuaattorista mittausten avulla. Lisäksi resonanssitaajuuden muuttamista tutkitaan massan ja sarjaan kytketyn kapasitanssin avulla. Toisessa osassa simuloidaan pietsosähköistä Fabry Perot interferometria käyttäen elementtimenetelmää. Lisäksi komponentin piensignaalimalli luodaan käyttäen simulointimallia. Lopuksi piensignaalimallin ja prototyypin mittaustuloksia verrataan. Mallin resonanssitaajuus poikkeaa mitatusta vain 0.8 %, kun aktuaattoriin on kiinnitetty peili. Kolmannessa osassa kehitetään ja verrataan toisiinsa kahta erilaista laajakaistaista monipalkkista pietsosähköistä energian korjuukomponenttia. Toinen komponenteista on toteutettu perinteisellä PZT-teräs rakenteella ja toinen yhteissintratulla PZT-LTCC rakenteella. Viimeisessä osassa luodaan simulaatio malli kenkään asennetulle cymbal tyyppiselle pietsosähköiselle energian korjuukomponentille ja kävelyn dynamiikkaa tutkitaan. Luotua mallia verrataan prototyypin mittaustuloksiin ja simuloitu energian tuotto poikkeaa vain 7 % alle 1.3 mm puristusliikkeellä. Tulokset osoittivat, että piensignaalimallin ja elementtimenetelmän yhdistäminen on tehokas apu pietsosähköisten aktuaattorien ja energiankorjuukomponenttien dynamiikan suunnittelussa.

Abstract In this thesis several novel inks based on dry inorganic powders enabling magnetic, piezoelectric and memory resistive (memristive) function were researched for printed electronics applications. Low curing temperature screen–printable magnetic inks for high frequency applications based on dry cobalt nanoparticles were developed in the first part of the work. Three publications were achieved. The first one concentrated on ink formulation and its process development, the second on the utilization of multifunctional surfactant, and the third on the development of the inks for plastic substrates. The magnetic inks developed were cured at 120 °C. The electrical performance, microstructure, surface quality and mechanical durability of printed and cured layers were investigated. Relative permeability values up to 3 and related loss tangents up to 0.01 were achieved at 2 GHz frequency, as well as a pull–off strength of up to 5.2 MPa. The maximum loading level of cobalt nanoparticles was 60 vol–%, after which the stability of the ink started to degrade. The developed ink enabled the miniaturization of a patch antenna. In the second part of the thesis, the formulation of inks based on piezoelectric ceramic particles in powder form with ferroelectric polymers as a matrix material is introduced. The performance and quality of the printed inks and cured layers were investigated. The measured pull off –strength was up to 3.25 MPa, relative permittivity was up to 48 at 1 kHz and piezoelectric constant d31 up to 17 pm/V. The printed piezoelectric layer can be utilized in a pressure sensor. In the third part of the thesis, the development of inks for a novel printed memory component, a memristor, is researched. A synthesis route was developed for an organometallic precursor solution, which was formulated into inkjet–printable form. The printing tests were carried out in order to find the most feasible layer thickness with memristive behaviour. The influence of substrate materials and different thermal treatments on the components’ electrical properties, durability of read/erase –cycles and overall lifetime were also investigated. The prepared memristive patterns remained functional for up to 35 days, while the precursor solution remained usable for over a year. The memristive areas withstood up to 30 read/erase cycles and by utilizing heat treatments the shift in resistance value increased by up to three orders of magnitude. / Tiivistelmä Väitöstyössä kehitettiin epäorgaanisten kuivien jauhemaisten materiaalien pohjalta magneettisia, pietsosähköisiä ja memristiivisiä musteita käytettäviksi painettavan elektroniikan sovelluksissa. Työn ensimmäisessä osassa tutkittiin korkean taajuuden sovelluksissa käytettävien magneettisten, matalassa lämpötilassa kovetettavien, jauhemaisiin kobolttinanopartikkeleihin perustuvien silkkipainomusteiden valmistamista. Tulokset on esitetty kolmessa julkaisussa, joista ensimmäinen keskittyi musteen formulointiin, toinen monifunktionaalisen surfaktantin hyödyntämiseen ja kolmas musteen kehittämiseen muovialustalle sopivaksi. Työssä kehitettiin 120 °C:ssa kovettuvia musteita, joista valmistettujen kalvojen suhteellisen permeabiliteetin maksimiarvoksi saatiin 3 ja häviöiden minimiarvoksi 0,01 kahden gigahertsin taajuudella. Pull–off –vetotestin tulokseksi saatiin jopa 5,2 MPa. Musteet säilyivät vakaina enimmillään 60 tilavuusprosentin metallipitoisuudella. Kehitettyä mustetta käytettiin tasoantennin miniatyrisoinnissa. Toisessa osassa kehitettiin pietsosähköisiä musteita, jotka pohjautuivat keraamijauheeseen ja matriisimateriaalina toimivaan ferrosähköiseen muoviin. Niistä valmistettujen kalvojen parhaaksi pull off –vetotestin tulokseksi saatiin 3,25 MPa, permittiivisyyden maksimiarvoksi 48 yhden kilohertsin taajuudella ja d31–pietsovakion maksimiarvoksi jopa 17 pm/V. Kehitettyjä painettuja rakenteita voidaan käyttää painettavissa paineantureissa. Kolmannessa osassa kehitettiin uudentyyppinen painettava muistikomponentti, memristori ja komponenttien valmistamiseksi uusi prekursoriliuoksen synteesi. Syntetisoitu liuos muokattiin mustesuihkutulostettavaksi. Painokokeiden avulla selvitettiin materiaalin paksuus, jolla saatiin aikaan muistivastukselle ominainen memristiivinen käyttäytyminen. Työssä tutkittiin substraattimateriaalien ja mahdollisten lämpökäsittelyjen vaikutusta komponenttien sähköisiin ominaisuuksiin, luku/kirjoitussyklien kestoon sekä käyttöikään. Valmistetut memristiiviset kalvot säilyivät toimivina 35 vuorokautta ja prekursoriliuos yli vuoden. Memristiiviset pinnat kestivät jopa 30 luku/kirjoitussykliä ja vastusarvon muutos saatiin lämpökäsittelyllä kolmea kertaluokkaa suuremmaksi.