This paper is concerned with thermo-mechanical vibration behavior of flexoelectric/piezoelectric nanobeams under uniform and linear temperature distributions. Flexoelectric/piezoelectric nanobeams have higher natural frequencies compared to conventional piezoelectric ones, especially at lower thicknesses. Both nonlocal and surface effects are considered in the analysis of flexoelectric/piezoelectric nanobeams for the first time. Hamilton's principle is employed to derive the governing equations and the related boundary conditions which are solved applying a Galerkin-based solution. Comparison study is also performed to verify the present formulation with those of previous data. Numerical results are presented to investigate the influences of the flexoelectricity, nonlocal parameter, surface elasticity, temperature rise, beam thickness and various boundary conditions on the vibration frequencies of thermally affected flexoelectric/piezoelectric nanobeam.
In the 4th industrial age, electronic devices are becoming smaller and lighter with a low power consumption to overcome spatial limitation. The piezoelectric energy harvesters can convert mechanical kinetic energy into electric energy; thus, enabling the operation of small electronic devices. Recently, various piezoelectric harvesters have been reported and the electric output from these harvesters could be anticipated by theoretical analysis methods. For example, COMSOL Multiphysics software provides a theoretical simulation of piezoelectric effect with a combination of mechanical and electrical phenomena in the piezoelectric materials. This article introduces a brief modeling of piezoelectric harvester to investigate mechanical stress and electrical output of harvesting devices by the COMSOL Multiphysics software.
Scavenging electricity from wasteful energy resources is currently an important issue and piezoelectric nanogenerators (NGs) based on zinc oxide (ZnO) are promising energy harvesters that can be adapted to various portable, wearable, self-powered electronic devices. Although ZnO has several advantages for NGs, the piezoelectric semiconductor material ZnO generate an intrinsic piezoelectric potential of a few volts as a result of its mechanical deformation. As grown, ZnO is usually n-type, a property that was historically ascribed to native defects. Oxygen vacancies (Vo) that work as donors exist in ZnO thin film and usually screen some parts of the piezoelectric potential. Consequently, the ZnO NGs' piezoelectric power cannot reach to its theoretical value, and thus decreasing the effect from Vo is essential. In the present study, c-axis oriented insulator-like sputtered ZnO thin films were grown in various temperatures to fabricate an optimized nanogenerator (NGs). The purity and crystalinity of ZnO were investigated with photoluminescence (PL). Moreover, by introducing a p-type polymer usually used in organic solar cell, it was discussed how piezoelectric passivation effect works in ZnO thin films having different types of defects. Prepared ZnO thin films have both Zn vacancies (accepter like) and oxygen vacancies (donor like). It generates output voltage 20 time lager than n-type dominant semiconducting ZnO thin film without p-type polymer conjugating. The enhancement is due to the internal accepter like point defects, zinc vacancies (VZn). When the more VZn concentration increases, the more chances to prevent piezoelectric potential screening effects are occurred, consequently, the output voltage is enhanced. Moreover, by passivating remained effective oxygen vacancies by p-type polymers, we demonstrated further power enhancement.
In order to fabricate the multilayer piezoelectric transformer by tape casting method, we investigated the effect of $TiO_2$ and PZT powder additions on the Ag/Pd electrode. Meanwhile, effects of $TiO_2$ and PZT powder additives on the microstructure and electrical properties of Ag/Pd electrode were investigated in detail. In addition, the multilayer piezoelectric transformers were fabricated and the characteristics with various load resistance were measured at resonance frequency. The voltage step-up ratio was continuously change with increasing input voltage and load resistance, and then output voltage and powers were increased with increasing input voltage at matching impedance. The temperature rise of multilayer piezoelectric transformers were increased with increasing input voltage and load resistance. Meanwhile, multilayer piezoelectric transformers sintered at $1100^{\circ}C$ show the favorable characteristics with a power of 15 W at $100\;{\Omega}$.
Many researchers have tried to develop the piezoelectric shell element and verified them with the benchmarking problem of the piezoelectric bimorph beam since there is no experimental result for the control of shell structure with piezoelectric sensor/actuator. In this paper, the experiments are designed and performed to verify the control Performance of piezoelectric sensor/actuator on the shell structure. PVDF is easy to be attached on the surface of a shell structure but makes weak control forces. On the contrary, PZT makes control forces large enough to control the structure, but it is not easy to make a PZT element with curvature. To use PVDF as an actuator, the structure should be designed as flexible as possible and the voltage amplifier could make high control voltage. PVDF actuator powered by a voltage amplifier that generates output voltage from -200 to +200 volts, shows little control performance to control the vibration of an arch type shell structure. The performance of sensor looks good and the negative velocity feedback control works perfectly. The actuator voltage seems to be too small to verify the control effect Quantitatively. An experiment with high voltage amplifier is scheduled to verify the control effect Quantitatively.
This contribution presents an extended one-dimensional theory for piezoelectric beam-type structures with non-ideal electrodes. For these types of electrodes the equipotential area condition is not satisfied. The main motivation of our research is originated from passive vibration control: when an elastic structure is covered by several piezoelectric patches that are linked via resistances and inductances, vibrational energy is efficiently dissipated if the electric network is properly designed. Assuming infinitely small piezoelectric patches that are connected by an infinite number of electrical, in particular resistive and inductive elements, one obtains the Telegrapher's equation for the voltage across the piezoelectric transducer. Embedding this outcome into the framework of Bernoulli-Euler, the final equations are coupled to the wave equations for the longitudinal motion of a bar and to the partial differential equations for the lateral motion of the beam. We present results for the wave propagation of a longitudinal bar for several types of electrode properties. The frequency spectra are computed (phase angle, wave number, wave speed), which point out the effect of resistive and inductive electrodes on wave characteristics. Our results show that electrical damping due to the resistivity of the electrodes is different from internal (=strain velocity dependent) or external (=velocity dependent) mechanical damping. Finally, results are presented, when the structure is excited by a harmonic single force, yielding that resistive-inductive electrodes are suitable candidates for passive vibration control that might be of great interest for practical applications in the future.
압전 액추에이터(Piezoelectric actuator)는 빠른 응답 특성, 넓은 대역폭, 우수한 반복 정밀도, 그리고 높은 분해능의 특성으로 인하여 다양한 산업분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 하지만, 압전 액추에이터에는 히스테리시스 효과(Hysteresis effect)가 발생되는 단점이 있으며, 이는 시스템의 성능을 저하시키는 주요한 원인으로 알려져 있다. Generalized Prandtl-Ishlinskii(GPI) model을 이용한 기존 연구에서는 히스테리시스 효과를 제거하기 위하여 히스테리시스를 수리적으로 모델링하고, 그 결과로부터 역 히스테리시스를 도출하였다. 하지만 모델링된 변수 값에 따라서는 역 히스테리시스 루프를 형성하지 못하는 치명적 문제점이 발생된다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Inverse Generalized Prandtl-Ishlinskii(IGPI) model을 이용하여 역 히스테리시스를 직접 모델링하는 방법을 제안하였다. 또한 모델링 정밀도는 다양한 입력신호를 이용한 실험 결과를 기반으로 검증하였다.
Lead oxide based ceramics, represented by PZT, are the most widely used materials for piezoelectric actuators, sensors, and transducers due to their excellent piezoelectric properties. In particular, high-performance multilayered piezoelectric ceramics for advanced electronic components have drawn great attention. In order to develop piezoelectric ceramics capable of being sintered at low temperature for multilayer piezoelectric device applications, the effect of CuO additions on the microstructures and electromechanical properties of the 0.4Pb$(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-0.25PbZrO_3-0.35PbTiO_3$ ceramics was investigated. The samples with CuO addition were synthesized by ordinary sintering technique. X-ray diffractions indicated that all samples formed a single phase perovskite structure. The addition of CuO improved the sinterability of the samples and caused an increase in the density and grain size at low temperature. The optimum sintering temperature was lowered by CuO additions. Excellent piezoelectric and electromechanical responses, $d_{33}$ ~ 663 pC/N, $k_p$ ~ 0.72, were obtained for the samples of high density with 0.1 wt% CuO addition sintered at $1050^{\circ}C$ for 4 h in air. These results show that the piezoelectric properties of PMNZT ceramics can be improved by controlling the microstructure and this system is potentially a good candidate as multilayer piezoelectric device for a wide range of electro-mechanical transducer applications.
Recent developments in the field of energy harvesting technology that convert ambient energy resources into electricity enable the use of self-powered energy systems in wearable and portable electronic devices without the need for additional external power sources. In particular, piezoelectric-effect-based flexible energy harvesters have drawn much attention because they can guarantee power generation from ubiquitous mechanical and vibrational movements. In response to demand for sustainable, permanent, and remote use of real-life personal electronics, many research groups have investigated flexible piezoelectric energy harvesters (f-PEHs) that employ nanoscaled piezoelectric materials such as nanowires, nanoparticles, nanofibers, and nanotubes. In those attempts, they have proven the feasibility of energy harvesting from tiny periodic mechanical deformations and energy utilization of f-PEH in commercial electronic devices. This review paper provides a brief overview of f-PEH devices based on piezoelectric nanomaterials and summarizes the development history, output performance, and applications.
A piezoelectric actuator yields hysteresis effect due to its composed ferroelectric. Hysteresis nonlinearty is neglected when a piezoelectric actuator moves with short stroke. However when it moves with long stroke and high frequency, the hysteresis nonlinearty can not be neglected. The hysteresis nonlinearty of piezoelectric actuator degrades the control performance in precision position control. In this paper, in order to improve the control performance of piezoelectric actuator, an inverse modeling scheme is proposed to compensate the hysteresis nonlinearty problem. And feedforward - feedback controller is proposed to give a good tracking performance. The Feedforward controller is inverse hysteresis model, Nueral network and PID control is used as a feedback controller. To show the feasibility of the proposed controller and hysteresis modeling, some experiments have been carried out. It is concluded that the proposed control scheme gives good tracking performance
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[게시일 2004년 10월 1일]
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