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Elektret- und Piezoelektret-Wandler für Körperschallaufnahme und Energy-Harvesting

Pondrom, Perceval T. N. :
Elektret- und Piezoelektret-Wandler für Körperschallaufnahme und Energy-Harvesting.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Elektret- und Piezoelektret-Wandler für Körperschallaufnahme und Energy-Harvesting
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit werden Elektret- und Piezoelektret-Wandler hinsichtlich ihrer Eig-nung als Körperschallaufnehmer und Energy-Harvester untersucht. Nach der Einleitung in das Thema werden in Kapitel 1 die Ziele der Arbeit vorgestellt. In Kapitel 2 werden die Grundlagen der Materialien und Wandler präsentiert und die Literatur über Elektrete, Piezoelektrete, Beschleunigungsaufnehmer und Energy-Harvesting analysiert. Zu-nächst werden das Herstellungsverfahren und typische Anwendungen von Elektreten und Pie-zoelektreten vorgestellt. Anschließend wird eine Einführung in die Grundlagen, die unter-schiedlichen Wirkprinzipien, Anwendungen und Charakterisierungsmethoden von Beschleunigungsaufnehmern besprochen. Zum Schluss dieses Kapitels wird auf das Thema Energy-Harvesting eingegangen: Die unterschiedlichen Arten von schwingungsbasierten Energy-Harvestern, die Leistungskonditionierungs- und Charakterisierungsmethoden sowie un-terschiedliche Figures of Merit zum Auswerten von Energy-Harvestern werden vorgestellt. Kapitel 3 befasst sich mit Piezoelektret- und Elektret-Beschleunigungsaufnehmern. Zunächst wird ein analytisches Modell von Piezoelektret-Beschleunigungsaufnehmern mit einem oder mehre-ren Piezoelektretstapeln aus ihrer Bewegungsgleichung hergeleitet. Anschließend werden mo-dale Sensoren und platinenintegrierte Piezoelektret-Beschleunigungsaufnehmer als zwei An-wendungsbeispiele präsentiert. Schließlich wird ein weiteres analytisches Modell, und zwar für Elektret-Beschleunigungsaufnehmer aus der Bewegungsgleichung abgeleitet und auch hier die experimentellen Ergebnisse diskutiert. Kapitel 4 ist Piezoelektret- und Elektret-Energy-Har-vestern gewidmet. Für beide Harvestertypen wird ebenfalls jeweils ein analytisches Modell er-stellt und experimentell validiert. Unter anderem wird die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz und der maximalen Leistung von der seismischen Masse analysiert. Im Fall von Piezoelektret-Harvestern mit d33-Effekt wird auch insbesondere der Effekt des Piezoelektretstapels auf die Eigenschaften des Harvesters untersucht. Bei Piezoelektret-Harvestern mit d31-Effekt wird der Einfluss der Kraftwirkung in Richtung des Piezoelektretstreifens auf die Leistung analysiert. Im Fall von Elektret-Harvestern wird der Effekt der mechanischen Eigenschaften des Abstandshal-ters und der Abmessungen des Luftspalts zwischen der seismischen Masse und der Grundelekt-rode auf die maximale Leistung und die Resonanzfrequenz untersucht. Anschließend werden die von den unterschiedlichen Harvestern generierten Leistungen gemessen, anhand von Figu-res of Merit ausgewertet und mit Literaturwerten für piezoelektrische Harvester verglichen. Die Arbeit schließt in Kapitel 5 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick über zukünftige Untersuchungen und Anwendungen von den in der Dissertation vorgestellten Wandlern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This PhD thesis deals with electret and piezoelectret transducers with focus on their ability to measure structure-borne sound and energy harvesting. Chapter 1 begins with an introduction to the topic of the thesis and then the objectives of the research work are explained. In Chapter 2, the physical principles of the materials and trans-ducers are briefly presented and the literature on electrets, piezoelectrets, accelerometers, and energy harvesting is analyzed. The method of making electrets and piezoelectrets as well as some of their main applications is described in some more detail. Then follows an introduction to the theoretical background, the various transducing methods, the main applications, and the methods of characterizing accelerometers. An analysis of the topic of energy harvesting con-cludes the chapter: the different energy harvesting methods are presented, the issue of power conditioning is introduced, some methods of characterizing energy harvesters are proposed, and finally various figures of merit to evaluate and compare energy harvesters are analyzed. Chapter 3 deals with piezoelectret and electret accelerometers. First, an analytical model of pi-ezoelectret accelerometers with one or several piezoelectret stacks is derived from a simple equation of motion. Two corresponding practical applications of piezoelectret accelerometers, namely sensors integrated in circuit boards and modal sensors, are presented. The chapter ends with the derivation of another analytical model of electret accelerometers, also from their equa-tion of motion. Chapter 4 is dedicated to piezoelectret and electret energy harvesters. For each harvester, an analytical model is again developed similarly to the accelerometers’ models and experimentally verified. This verification includes for all harvesters the dependence of the res-onance frequency and the maximum power on the seismic mass. In the case of piezoelectret transducers with d33 effect, the dependence of the maximum power on the properties of the piezoelectret stacks are particularly studied and for the piezoelectret transducers with d31 effect the influence of the different stress orientation on the power is analyzed. In the case of electret transducers, the effect of the mechanical properties of the spacer between the seismic mass and the ground electrode and of the airgap dimensions on the resonance frequency and maximum power are investigated. At the end of the chapter, the power generated by the harvesters are evaluated by the above figures of merit and compared to the power generated by piezoelectric-ceramic harvesters. Finally, the main results of the thesis are summarized in Chapter 5, followed by an outlook on future investigations and possible practical applications of the transducers.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
Date Deposited: 18 Jun 2019 10:55
Last Modified: 18 Jun 2019 10:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87960
Referees: Melz, Prof. Tobias and Sessler, Prof. Gerhard M.
Refereed: 2 October 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8796
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