KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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v.5B
no.1
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pp.90-94
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2005
As the structure of the piezoelectric bimorph cantilever becomes increasingly more complicated, a more accurate and efficient analysis of piezoelectric media is needed. In this paper, the piezoelectric transducer is analyzed by using the three-dimensional finite element method. The validity of the three-dimensional finite element routine is confirmed by comparing the experimental result. The resonance characteristics, such as resonance frequency and anti-resonance frequency, of the piezoelectric cantilever are calculated by the experimentally verified three dimensional finite element method. Subsequently, the characteristics, such as mechanical displacement and impedance, are calculated at the resonance frequency. Besides, to design the piezoelectric bimorph cantilever shape that maximizes displacement at the tip, the ES (Evolution Strategy) algorithm is applied. Finally, optimal design for the fan of the piezoelectric cantilever is fulfilled to obtain maximum displacement at the tip. From these results, the application potentiality of the piezoelectric bimorph cantilever fan is identified.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.18
no.12
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pp.1124-1128
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2005
New piezoelectric actuator design, which can reduce the number of the stacking layer without lowering the piezoelectric displacement, is suggested in this work. Each layer of the new designed multilayer actuator has the same electrode pattern as the cross-sectioned layer of the existing multilayer actuator has. The piezoelectric displacement was calculated by Finite-Element Method (FEM) analysis. The maximum piezoelectric displacement of the new-designed actuator with 13 layers was calculated to be almost same value (55.9 ${\mu}m$) as that of the existing actuator with 25 layers(60.1 ${\mu}m$).
This study aims at performing sensitivity analysis of piezoelectric smart structure for minimizing radiated noise from the structure, The structure consists of a flat plate on which disk shaped piezoelectric actuator is mounted, and finite element modeling is used for the structure. The finite element modeling uses a combination of three dimensional piezoelectric, flat shell and transition elements so thus it can take into account the coupling effects of the piezoelectric device precisely and it can also reduce the degrees of freedom of the finite element model. Electric potential on the piezoelectric actuator is taken as a design variable and total radiated power of the structure is chosen as an objective function. The objective function can be represented as Rayleigh's integral equation and is a function of normal displacements of the structure. For the convenience of computation, all degrees of freedom of the finite element equation is condensed out except the normal displacements of the structure. To perform the design sensitivity analysis, the derivative of the objective function with respect to the normal displacements is found, and the derivative of the norma displacements with respect to the design variable is calculated from the finite element equation by using so called the adjoint variable method. The analysis results are compared with those of the finite difference method, and shows a good agreement. This sensitivity analysis is faster and more accurate than the finite difference method. Once the sensitivity analysis program is used for gradient-based optimizations, one could achieve a better convergence rate than non-derivative methods for optimal design of piezoelectric smart structures.
In the present analysis, the spline finite strip with higher-order shear deformation is formulated for the static analysis of piezoelectric composite plates. The proposed method incorporates Reddy's third-order shear deformation theory, Touratier's "Sine" model, Afaq's exponential model, Cho's higher-order zigzag laminate theory, as well as the classic plate theory and the first-order plate theory. Thus, the analysis can be conducted based on any of the above-mentioned theories. The selection of a specific method is done by simply changing a few terms in a 2 by 2 square matrix and the results, obtained according to different plate theories, can be compared to each other. Numerical examples are presented for piezoelectric composite plates subjected to mechanical loading. The results based on different shear deformation theories are compared with the three-dimensional solutions. The behaviours of piezoelectric composite plates with different length-to-thickness ratios, fibre orientations, and boundary conditions are also investigated in these examples.
The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences
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v.7
no.6
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pp.1315-1320
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2012
In this study, piezoelectric AC-DC converter using ring-dot type multilayer piezoelectric transformer with no anisotropic of polarization was developed. Considering the characteristics of piezoelectric transformer which is very narrow operating frequency range, piezoelectric converter was designed with mixed structure of PFM driving method for feedback control of oscillation frequency and PWM driving method for output control. Maximum power and allowed current of the developed piezoelectric converter showing stable driving with minimum heat was 25W and 900mA, respectively. The output voltage of the piezoelectric converter was controlled by the driving oscillation frequency and showed stable and efficient operating characteristics at the maximum power.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.34
no.6
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pp.487-494
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2021
Piezoelectric generators use direct piezoelectric effects that convert mechanical energy into electrical energy. Many studies were attempted to fabricate piezoelectric generators using piezoelectrics such as ZnO, PZT, PVDF. However, these various inorganic/organic piezoelectric materials are not suitable for bio-implantable devices due to problems such as brittleness, toxicity, bio-incompatibility, bio-degradation. Thus, in this paper, piezoelectric generators were prepared using a silk fibroin film which is bio-compatible by dip-coating method. The silk fibroin films are a mixed state of silk I and silk II having stable β-sheet type structures and shows the d33 value of 8~10 pC/N. There was a difference in output voltages according to the thickness. The silk fibroin generators, coated 10 times and 20 times, revealed the power density of 16.07 μW/cm2 and 35.31 μW/cm2 using pushing tester, respectively. The silk fibroin generators are sensitive to various pressure levels, which may arise from body motions such as finger tapping, foot pressing, wrist shaking, etc. The silk fibroin piezoelectric generators with bio-compatibility shows the applicability as a low-power implantable piezoelectric generator, healthcare monitoring service, and biotherapy devices.
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.26
no.4
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pp.139-144
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2016
Effects of the shape and size of the piezoelectric materials on the performance of tonpilz transducers were studied with a computer simulation using a finite element method (FEM). The diameter and height of the donut-shaped piezoelectric ceramics head mass were changed as variables. And the effect of the stack number was also investigated. Finally, if the piezoelectric ceramics were changed to a piezoelectric single crystal having high piezoelectric constants, how the performances especially, the output power and the TVR transmittance were affected was simulated by FEM. As a result, the output of transducer could be increased to 10 times of PZT-4 with replacement of relaxor single crystal of the same size.
Kim Young-Sik;Nam Hyo-Jin;Lee Caroline Sunyoung;Jin Won-Hyeog;Jang Seong.Soo;Cho Il-Joo;Bu Jong Uk
정보저장시스템학회:학술대회논문집
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2005.10a
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pp.22-25
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2005
In this research, a wafar-level transfer method of cantilever array on a conventional CMOS circuit has been developed for high density probe-based data storage. The transferred cantilevers were silicon nitride ($Si_3N_4$) cantilevers integrated with poly silicon heaters and piezoelectric sensors, called thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilevers. In this process, we did not use a SOI wafer but a conventional p-type wafer for the fabrication of the thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilever arrays. Furthermore, we have developed a very simple transfer process, requiring only one step of cantilever transfer process for the integration of the CMOS wafer and cantilevers. Using this process, we have fabricated a single thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilever, and recorded 65nm data bits on a PMMA film and confirmed a charge signal at 5nm of cantilever deflection. And we have successfully applied this method to transfer 34 by 34 thermo-piezoelectric $Si_3N_4$ cantilever arrays on a CMOS wafer. We obtained reading signals from one of the cantilevers.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2004.11a
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pp.379-382
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2004
In this paper, it is investigated in advance about the PZT-based composition for piezoelectric vibration device. The specimens of piezoelectric ceramics are made of Columbite method. The piezoelectric vibration device by this composition is designed by ATILA(Magsoft) program used FEM(Finite Element Method). The vibration device used for mobile phone must be driven in the frequency of $130{\sim}200Hz$, so the resonant frequency of piezoelectricity must adjust driven frequency bandwidth. The result of analysis by ATILA is appeared dependant property of length, width, thickness and dummy weight about resonant frequency of the piezoelectric vibration device. The size of manufactured actuator is $28{\times}12{\times}0.3mm^3(length {\times}width{\times}thickness)$ and this is bimorph type. The test of manufactured piezoelectric vibration device measure displacement, acceleration and power dissipation. The piezoelectric vibration device has the advantage more than electro-magnetic motor, however the size of manufactured device is larger than electro-magnetic motor.
We consider the problem of determining the singular stresses and electric fields in a piezoelectric ceramic strip containing a Griffith crack under in-plane normal loading within the framework of linear piezoelectricity. The potential theory method and Fourier transforms are used to reduce the problem to the solution of dual integral equations, which are then expressed to a Fredholm integral equation of the second kind. Numerical values on the field intensity factors are obtained, and the influences of the electric fields for PZT-6B piezoelectric ceramic are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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