High-brightness all semiconductor laser at 1.57 µm for space-borne lidar measurements of atmospheric carbon dioxide: device design and analysis of requirements

The availability of suitable laser sources is one of the main challenges in future space missions for accurate measurement of atmospheric CO2. The main objective of the European project BRITESPACE is to demonstrate the feasibility of an all-semiconductor laser source to be used as a space-borne laser transmitter in an Integrated Path Differential Absorption (IPDA) lidar system. We present here the proposed transmitter and system architectures, the initial device design and the results of the simulations performed in order to estimate the source requirements in terms of power, beam quality, and spectral properties to achieve the required measurement accuracy. The laser transmitter is based on two InGaAsP/InP monolithic Master Oscillator Power Amplifiers (MOPAs), providing the ON and OFF wavelengths close to the selected absorption line around 1.57 µm. Each MOPA consists of a frequency stabilized Distributed Feedback (DFB) master oscillator, a modulator section, and a tapered semiconductor amplifier optimized to maximize the optical output power. The design of the space-compliant laser module includes the beam forming optics and the thermoelectric coolers.The proposed system replaces the conventional pulsed source with a modulated continuous wave source using the Random Modulation-Continuous Wave (RM-CW) approach, allowing the designed semiconductor MOPA to be applicable in such applications. The system requirements for obtaining a CO2 retrieval accuracy of 1 ppmv and a spatial resolution of less than 10 meters have been defined. Envelope estimated of the returns indicate that the average power needed is of a few watts and that the main noise source is the ambient noise.

Mechanical design optimization for multi-finger haptic devices applied to virtual grasping manipulation

This paper describes the design of a modular multi-finger haptic device for virtual object manipulation. Mechanical structures are based on one module per finger and can be scaled up to three fingers. Mechanical configurations for two and three fingers are based on the use of one and two redundant axes, respectively. As demonstrated, redundant axes significantly increase workspace and prevent link collisions, which is their main asset with respect to other multi-finger haptic devices. The location of redundant axes and link dimensions have been optimized in order to guarantee a proper workspace, manipulability, force capability, and inertia for the device. The mechanical haptic device design and a thimble adaptable to different finger sizes have also been developed for virtual object manipulation.

Design, Technology and Characterization of Micromechanised Sensors and Actuators for Harsh Environments

Los sistemas micro electro mecánicos (MEMS) han demostrado ser una exitosa familia de dispositivos que pueden usarse como plataforma para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en óptica, comunicaciones, procesado de señal y sensorización. Los dispositivos MEMS estándar suelen estar fabricados usando tecnología de silicio. Sin embargo, el rendimiento de estos MEMS se puede mejorar si se usan otros materiales. Por ejemplo, el diamante nanocristalino (NCD) ofrece unas excelentes propiedades mecánicas, transparencia y una superficie fácil de funcionalizar. Por otro lado, el sistema de materiales (In; Ga; Al)N, los materiales IIIN, se pueden usar para producir estructuras monocristalinas con alta sensibilidad mecánica y química. Además, el AlN se puede depositar por pulverización catódica reactiva sobre varios substratos, incluyendo NCD, para formar capas policristalinas orientadas con alta respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, tanto el NCD como los materiales III-N muestran una gran estabilidad térmica y química, lo que los hace una elección idónea para desarrollar dispositivos para aplicaciones para alta temperatura, ambientes agresivos e incluso para aplicaciones biocompatibles. En esta tesis se han usado estos materiales para el diseño y medición de demostradores tecnológicos. Se han perseguido tres objetivos principales: _ Desarrollo de unos procesos de fabricación apropiados. _ Medición de las propiedades mecánicas de los materiales y de los factores que limitan el rendimiento de los dispositivos. _ Usar los datos medidos para desarrollar dispositivos demostradores complejos. En la primera parte de esta tesis se han estudiado varias técnicas de fabricación. La estabilidad de estos materiales impide el ataque y dificulta la producción de estructuras suspendidas. Los primeros capítulos de esta disertación se dedican al desarrollo de unos procesos de transferencia de patrones por ataque seco y a la optimización del ataque húmedo sacrificial de varios substratos propuestos. Los resultados de los procedimientos de ataque se presentan y se describe la optimización de las técnicas para la fabricación de estructuras suspendidas de NCD y materiales III-N. En un capítulo posterior se estudia el crecimiento de AlN por pulverización catódica. Como se ha calculado en esta disertación para obtener una actuación eficiente de MEMS, las capas de AlN han de ser finas, típicamente d < 200 nm, lo que supone serias dificultades para la obtención de capas orientadas con respuesta piezoeléctrica. Las condiciones de depósito se han mapeado para identificar las fronteras que proporcionan el crecimiento de material orientado desde los primeros pasos del proceso. Además, durante la optimización de los procesos de ataque se estudió un procedimiento para fabricar películas de GaN nanoporoso. Estas capas porosas pueden servir como capas sacrificiales para la fabricación de estructuras suspendidas de GaN con baja tensión residual o como capas para mejorar la funcionalización superficial de sensores químicos o biológicos. El proceso de inducción de poros se discutirá y también se presentarán experimentos de ataque y funcionalización. En segundo lugar, se han determinado las propiedades mecánicas del NCD y de los materiales III-N. Se han fabricado varias estructuras suspendidas para la medición del módulo de Young y de la tensión residual. Además, las estructuras de NCD se midieron en resonancia para calcular el rendimiento de los dispositivos en términos de frecuencia y factor de calidad. Se identificaron los factores intrínsecos y extrínsecos que limitan ambas figuras de mérito y se han desarrollado modelos para considerar estas imperfecciones en las etapas de diseño de los dispositivos. Por otra parte, los materiales III-N normalmente presentan grandes gradientes de deformación residual que causan la deformación de las estructuras al ser liberadas. Se han medido y modelado estos efectos para los tres materiales binarios del sistema para proporcionar puntos de interpolación que permitan predecir las características de las aleaciones del sistema III-N. Por último, los datos recabados se han usado para desarrollar modelos analíticos y numéricos para el diseño de varios dispositivos. Se han estudiado las propiedades de transducción y se proporcionan topologías optimizadas. En el último capítulo de esta disertación se presentan diseños optimizados de los siguientes dispositivos: _ Traviesas y voladizos de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicados a nanoconmutadores de RF para señales de alta potencia. _ Membranas circulares de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicadas a lentes sintonizables. _ Filtros ópticos Fabry-Pérot basados en cavidades aéreas y membranas de GaN actuadas electrostáticamente. En resumen, se han desarrollado unos nuevos procedimientos optimizados para la fabricación de estructuras de NCD y materiales III-N. Estas técnicas se han usado para producir estructuras que llevaron a la determinación de las principales propiedades mecánicas y de los parámetros de los dispositivos necesarios para el diseño de MEMS. Finalmente, los datos obtenidos se han usado para el diseño optimizado de varios dispositivos demostradores. ABSTRACT Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have proven to be a successful family of devices that can be used as a platform for the development of devices with applications in optics, communications, signal processing and sensorics. Standard MEMS devices are usually fabricated using silicon based materials. However, the performance of these MEMS can be improved if other material systems are used. For instance, nanocrystalline diamond (NCD) offers excellent mechanical properties, optical transparency and ease of surface functionalization. On the other hand, the (In; Ga; Al)N material system, the III-N materials, can be used to produce single crystal structures with high mechanical and chemical sensitivity. Also, AlN can be deposited by reactive sputtering on various substrates, including NCD, to form oriented polycrystalline layers with high piezoelectric response. In addition, both NCD and III-N materials exhibit high thermal and chemical stability, which makes these material the perfect choice for the development of devices for high temperatures, harsh environments and even biocompatible applications. In this thesis these materials have been used for the design and measurement of technological demonstrators. Three main objectives have been pursued: _ Development of suitable fabrication processes. _ Measurement of the material mechanical properties and device performance limiting factors. _ Use the gathered data to design complex demonstrator devices. In a first part of the thesis several fabrication processes have been addressed. The stability of these materials hinders the etching of the layers and hampers the production of free standing structures. The first chapters of this dissertation are devoted to the development of a dry patterning etching process and to sacrificial etching optimization of several proposed substrates. The results of the etching processes are presented and the optimization of the technique for the manufacturing of NCD and III-N free standing structures is described. In a later chapter, sputtering growth of thin AlN layers is studied. As calculated in this dissertation, for efficient MEMS piezoelectric actuation the AlN layers have to be very thin, typically d < 200 nm, which poses serious difficulties to the production of c-axis oriented material with piezoelectric response. The deposition conditions have been mapped in order to identify the boundaries that give rise to the growth of c-axis oriented material from the first deposition stages. Additionally, during the etching optimization a procedure for fabricating nanoporous GaN layers was also studied. Such porous layers can serve as a sacrificial layer for the release of low stressed GaN devices or as a functionalization enhancement layer for chemical and biological sensors. The pore induction process will be discussed and etching and functionalization trials are presented. Secondly, the mechanical properties of NCD and III-N materials have been determined. Several free standing structures were fabricated for the measurement of the material Young’s modulus and residual stress. In addition, NCD structures were measured under resonance in order to calculate the device performance in terms of frequency and quality factor. Intrinsic and extrinsic limiting factors for both figures were identified and models have been developed in order to take into account these imperfections in the device design stages. On the other hand, III-N materials usually present large strain gradients that lead to device deformation after release. These effects have been measured and modeled for the three binary materials of the system in order to provide the interpolation points for predicting the behavior of the III-N alloys. Finally, the gathered data has been used for developing analytic and numeric models for the design of various devices. The transduction properties are studied and optimized topologies are provided. Optimized design of the following devices is presented at the last chapter of this dissertation: _ AlN=NCD piezoelectrically actuated beams applied to RF nanoswitches for large power signals. _ AlN=NCD piezoelectrically actuated circular membranes applied to tunable lenses. _ GaN based air gap tunable optical Fabry-Pérot filters with electrostatic actuation. On the whole, new optimized fabrication processes has been developed for the fabrication of NCD and III-N MEMS structures. These processing techniques was used to produce structures that led to the determination of the main mechanical properties and device parameters needed for MEMS design. Lastly, the gathered data was used for the design of various optimized demonstrator devices.

Experimental comparison of FBARs and SMRs responsitivities to mass loadings

The utilisation of thin film technology to develop film bulk acoustic resonators (FBARs) and solidly mounted resonators (SMRs), offers great potential to outperform the sensitivity and minimum detection limit of gravimetric sensors. Up to now, the choice between FBARs and SMRs depends primarily on the users' ability to design and fabricate Bragg reflectors and/or membranes, because neither of these two types of resonators has been demonstrated to be superior to the other. In the work reported here, it is shown that identically designed FBARs and SMRs resonating at the same frequency exhibit different responsitivities, Rm, to mass loadings, being the FBARs more responsive than the SMRs. For the specific device design and resonant frequency (~2 GHz) of the resonators presented, FBARs' mass responsitivity is ~20% greater than that of SMRs, and although this value should not be taken as universal for all possible device designs, it clearly indicates that FBAR devices should be favoured over SMRs in gravimetric sensing applications.

Technology and characterization of GaN-HEMTs devices: high temperature and trapping effects

Los transistores de alta movilidad electrónica basados en GaN han sido objeto de una extensa investigación ya que tanto el GaN como sus aleaciones presentan unas excelentes propiedades eléctricas (alta movilidad, elevada concentración de portadores y campo eléctrico crítico alto). Aunque recientemente se han incluido en algunas aplicaciones comerciales, su expansión en el mercado está condicionada a la mejora de varios asuntos relacionados con su rendimiento y habilidad. Durante esta tesis se han abordado algunos de estos aspectos relevantes; por ejemplo, la fabricación de enhancement mode HEMTs, su funcionamiento a alta temperatura, el auto calentamiento y el atrapamiento de carga. Los HEMTs normalmente apagado o enhancement mode han atraído la atención de la comunidad científica dedicada al desarrollo de circuitos amplificadores y conmutadores de potencia, ya que su utilización disminuiría significativamente el consumo de potencia; además de requerir solamente una tensión de alimentación negativa, y reducir la complejidad del circuito y su coste. Durante esta tesis se han evaluado varias técnicas utilizadas para la fabricación de estos dispositivos: el ataque húmedo para conseguir el gate-recess en heterostructuras de InAl(Ga)N/GaN; y tratamientos basados en flúor (plasma CF4 e implantación de F) de la zona debajo de la puerta. Se han llevado a cabo ataques húmedos en heteroestructuras de InAl(Ga)N crecidas sobre sustratos de Si, SiC y zafiro. El ataque completo de la barrera se consiguió únicamente en las muestras con sustrato de Si. Por lo tanto, se puede deducir que la velocidad de ataque depende de la densidad de dislocaciones presentes en la estructura, ya que el Si presenta un peor ajuste del parámetro de red con el GaN. En relación a los tratamientos basados en flúor, se ha comprobado que es necesario realizar un recocido térmico después de la fabricación de la puerta para recuperar la heteroestructura de los daños causados durante dichos tratamientos. Además, el estudio de la evolución de la tensión umbral con el tiempo de recocido ha demostrado que en los HEMTs tratados con plasma ésta tiende a valores más negativos al aumentar el tiempo de recocido. Por el contrario, la tensión umbral de los HEMTs implantados se desplaza hacia valores más positivos, lo cual se atribuye a la introducción de iones de flúor a niveles más profundos de la heterostructura. Los transistores fabricados con plasma presentaron mejor funcionamiento en DC a temperatura ambiente que los implantados. Su estudio a alta temperatura ha revelado una reducción del funcionamiento de todos los dispositivos con la temperatura. Los valores iniciales de corriente de drenador y de transconductancia medidos a temperatura ambiente se recuperaron después del ciclo térmico, por lo que se deduce que dichos efectos térmicos son reversibles. Se han estudiado varios aspectos relacionados con el funcionamiento de los HEMTs a diferentes temperaturas. En primer lugar, se han evaluado las prestaciones de dispositivos de AlGaN/GaN sobre sustrato de Si con diferentes caps: GaN, in situ SiN e in situ SiN/GaN, desde 25 K hasta 550 K. Los transistores con in situ SiN presentaron los valores más altos de corriente drenador, transconductancia, y los valores más bajos de resistencia-ON, así como las mejores características en corte. Además, se ha confirmado que dichos dispositivos presentan gran robustez frente al estrés térmico. En segundo lugar, se ha estudiado el funcionamiento de transistores de InAlN/GaN con diferentes diseños y geometrías. Dichos dispositivos presentaron una reducción casi lineal de los parámetros en DC en el rango de temperaturas de 25°C hasta 225°C. Esto se debe principalmente a la dependencia térmica de la movilidad electrónica, y también a la reducción de la drift velocity con la temperatura. Además, los transistores con mayores longitudes de puerta mostraron una mayor reducción de su funcionamiento, lo cual se atribuye a que la drift velocity disminuye más considerablemente con la temperatura cuando el campo eléctrico es pequeño. De manera similar, al aumentar la distancia entre la puerta y el drenador, el funcionamiento del HEMT presentó una mayor reducción con la temperatura. Por lo tanto, se puede deducir que la degradación del funcionamiento de los HEMTs causada por el aumento de la temperatura depende tanto de la longitud de la puerta como de la distancia entre la puerta y el drenador. Por otra parte, la alta densidad de potencia generada en la región activa de estos transistores conlleva el auto calentamiento de los mismos por efecto Joule, lo cual puede degradar su funcionamiento y Habilidad. Durante esta tesis se ha desarrollado un simple método para la determinación de la temperatura del canal basado en medidas eléctricas. La aplicación de dicha técnica junto con la realización de simulaciones electrotérmicas han posibilitado el estudio de varios aspectos relacionados con el autocalentamiento. Por ejemplo, se han evaluado sus efectos en dispositivos sobre Si, SiC, y zafiro. Los transistores sobre SiC han mostrado menores efectos gracias a la mayor conductividad térmica del SiC, lo cual confirma el papel clave que desempeña el sustrato en el autocalentamiento. Se ha observado que la geometría del dispositivo tiene cierta influencia en dichos efectos, destacando que la distribución del calor generado en la zona del canal depende de la distancia entre la puerta y el drenador. Además, se ha demostrado que la temperatura ambiente tiene un considerable impacto en el autocalentamiento, lo que se atribuye principalmente a la dependencia térmica de la conductividad térmica de las capas y sustrato que forman la heterostructura. Por último, se han realizado numerosas medidas en pulsado para estudiar el atrapamiento de carga en HEMTs sobre sustratos de SiC con barreras de AlGaN y de InAlN. Los resultados obtenidos en los transistores con barrera de AlGaN han presentado una disminución de la corriente de drenador y de la transconductancia sin mostrar un cambio en la tensión umbral. Por lo tanto, se puede deducir que la posible localización de las trampas es la región de acceso entre la puerta y el drenador. Por el contrario, la reducción de la corriente de drenador observada en los dispositivos con barrera de InAlN llevaba asociado un cambio significativo en la tensión umbral, lo que implica la existencia de trampas situadas en la zona debajo de la puerta. Además, el significativo aumento del valor de la resistencia-ON y la degradación de la transconductancia revelan la presencia de trampas en la zona de acceso entre la puerta y el drenador. La evaluación de los efectos del atrapamiento de carga en dispositivos con diferentes geometrías ha demostrado que dichos efectos son menos notables en aquellos transistores con mayor longitud de puerta o mayor distancia entre puerta y drenador. Esta dependencia con la geometría se puede explicar considerando que la longitud y densidad de trampas de la puerta virtual son independientes de las dimensiones del dispositivo. Finalmente se puede deducir que para conseguir el diseño óptimo durante la fase de diseño no sólo hay que tener en cuenta la aplicación final sino también la influencia que tiene la geometría en los diferentes aspectos estudiados (funcionamiento a alta temperatura, autocalentamiento, y atrapamiento de carga). ABSTRACT GaN-based high electron mobility transistors have been under extensive research due to the excellent electrical properties of GaN and its related alloys (high carrier concentration, high mobility, and high critical electric field). Although these devices have been recently included in commercial applications, some performance and reliability issues need to be addressed for their expansion in the market. Some of these relevant aspects have been studied during this thesis; for instance, the fabrication of enhancement mode HEMTs, the device performance at high temperature, the self-heating and the charge trapping. Enhancement mode HEMTs have become more attractive mainly because their use leads to a significant reduction of the power consumption during the stand-by state. Moreover, they enable the fabrication of simpler power amplifier circuits and high-power switches because they allow the elimination of negativepolarity voltage supply, reducing significantly the circuit complexity and system cost. In this thesis, different techniques for the fabrication of these devices have been assessed: wet-etching for achieving the gate-recess in InAl(Ga)N/GaN devices and two different fluorine-based treatments (CF4 plasma and F implantation). Regarding the wet-etching, experiments have been carried out in InAl(Ga)N/GaN grown on different substrates: Si, sapphire, and SiC. The total recess of the barrier was achieved after 3 min of etching in devices grown on Si substrate. This suggests that the etch rate can critically depend on the dislocations present in the structure, since the Si exhibits the highest mismatch to GaN. Concerning the fluorine-based treatments, a post-gate thermal annealing was required to recover the damages caused to the structure during the fluorine-treatments. The study of the threshold voltage as a function of this annealing time has revealed that in the case of the plasma-treated devices it become more negative with the time increase. On the contrary, the threshold voltage of implanted HEMTs showed a positive shift when the annealing time was increased, which is attributed to the deep F implantation profile. Plasma-treated HEMTs have exhibited better DC performance at room temperature than the implanted devices. Their study at high temperature has revealed that their performance decreases with temperature. The initial performance measured at room temperature was recovered after the thermal cycle regardless of the fluorine treatment; therefore, the thermal effects were reversible. Thermal issues related to the device performance at different temperature have been addressed. Firstly, AlGaN/GaN HEMTs grown on Si substrate with different cap layers: GaN, in situ SiN, or in situ SiN/GaN, have been assessed from 25 K to 550 K. In situ SiN cap layer has been demonstrated to improve the device performance since HEMTs with this cap layer have exhibited the highest drain current and transconductance values, the lowest on-resistance, as well as the best off-state characteristics. Moreover, the evaluation of thermal stress impact on the device performance has confirmed the robustness of devices with in situ cap. Secondly, the high temperature performance of InAlN/GaN HEMTs with different layouts and geometries have been assessed. The devices under study have exhibited an almost linear reduction of the main DC parameters operating in a temperature range from room temperature to 225°C. This was mainly due to the thermal dependence of the electron mobility, and secondly to the drift velocity decrease with temperature. Moreover, HEMTs with large gate length values have exhibited a great reduction of the device performance. This was attributed to the greater decrease of the drift velocity for low electric fields. Similarly, the increase of the gate-to-drain distance led to a greater reduction of drain current and transconductance values. Therefore, this thermal performance degradation has been found to be dependent on both the gate length and the gate-to-drain distance. It was observed that the very high power density in the active region of these transistors leads to Joule self-heating, resulting in an increase of the device temperature, which can degrade the device performance and reliability. A simple electrical method have been developed during this work to determine the channel temperature. Furthermore, the application of this technique together with the performance of electro-thermal simulations have enabled the evaluation of different aspects related to the self-heating. For instance, the influence of the substrate have been confirmed by the study of devices grown on Si, SiC, and Sapphire. HEMTs grown on SiC substrate have been confirmed to exhibit the lowest self-heating effects thanks to its highest thermal conductivity. In addition to this, the distribution of the generated heat in the channel has been demonstrated to be dependent on the gate-to-drain distance. Besides the substrate and the geometry of the device, the ambient temperature has also been found to be relevant for the self-heating effects, mainly due to the temperature-dependent thermal conductivity of the layers and the substrate. Trapping effects have been evaluated by means of pulsed measurements in AlGaN and InAIN barrier devices. AlGaN barrier HEMTs have exhibited a de crease in drain current and transconductance without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-to-drain access region. On the contrary, InAIN barrier devices have showed a drain current associated with a positive shift of threshold voltage, which indicated that the traps were possibly located under the gate region. Moreover, a significant increase of the ON-resistance as well as a transconductance reduction were observed, revealing the presence of traps on the gate-drain access region. On the other hand, the assessment of devices with different geometries have demonstrated that the trapping effects are more noticeable in devices with either short gate length or the gate-to-drain distance. This can be attributed to the fact that the length and the trap density of the virtual gate are independent on the device geometry. Finally, it can be deduced that besides the final application requirements, the influence of the device geometry on the performance at high temperature, on the self-heating, as well as on the trapping effects need to be taken into account during the device design stage to achieve the optimal layout.

Analysis and design of a thrombectomy device by using simulation techniques

Purpose: In this work, we present the analysis, design and optimization of one experimental device recently developed in the UK, called the 'GP' Thrombus Aspiration Device (GPTAD). This device has been designed to remove blood clots without the need to make contact with the clot itself thereby potentially reducing the risk of problems such as downstream embolisation. Method: To obtain the minimum pressure necessary to extract the clot and to optimize the device, we have simulated the performance of the GPTAD analysing the resistances, compliances and inertances effects. We model a range of diameters for the GPTAD considering different forces of adhesion of the blood clot to the artery wall, and different lengths of blood clot. In each case we determine the optimum pressure required to extract the blood clot from the artery using the GPTAD, which is attached at its proximal end to a suction pump. Result: We then compare the results of our mathematical modelling to measurements made in laboratory using plastic tube models of arteries of comparable diameter. We use abattoir porcine blood clots that are extracted using the GPTAD. The suction pressures required for such clot extraction in the plastic tube models compare favourably with those predicted by the mathematical modelling. Discussion & Conclusion: We conclude therefore that the mathematical modelling is a useful technique in predicting the performance of the GPTAD and may potentially be used in optimising the design of the device.

Building memristor applications: from device model to circuit design

Since the memristor was first built in 2008 at HP Labs, no end of devices and models have been presented. Also, new applications appear frequently. However, the integration of the device at the circuit level is not straightforward, because available models are still immature and/or suppose high computational loads, making their simulation long and cumbersome. This study assists circuit/systems designers in the integration of memristors in their applications, while aiding model developers in the validation of their proposals. We introduce the use of a memristor application framework to support the work of both the model developer and the circuit designer. First, the framework includes a library with the best-known memristor models, being easily extensible with upcoming models. Systematic modifications have been applied to these models to provide better convergence and significant simulations speedups. Second, a quick device simulator allows the study of the response of the models under different scenarios, helping the designer with the stimuli and operation time selection. Third, fine tuning of the device including parameters variations and threshold determination is also supported. Finally, SPICE/Spectre subcircuit generation is provided to ease the integration of the devices in application circuits. The framework provides the designer with total control overconvergence, computational load, and the evolution of system variables, overcoming usual problems in the integration of memristive devices.

Performance of a transmutation advanced device for sustainable energy application

Preliminary studies have been performed to design a device for nuclear waste transmutation and hydrogen generation based on a gas-cooled pebble bed accelerator driven system, TADSEA (Transmutation Advanced Device for Sustainable Energy Application). In previous studies we have addressed the viability of an ADS Transmutation device that uses as fuel wastes from the existing LWR power plants, encapsulated in graphite in the form of pebble beds, cooled by helium which enables high temperatures (in the order of 1200 K), to generate hydrogen from water either by high temperature electrolysis or by thermochemical cycles. For designing this device several configurations were studied, including several reflectors thickness, to achieve the desired parameters, the transmutation of nuclear waste and the production of 100 MW of thermal power. In this paper new studies performed on deep burn in-core fuel management strategy for LWR waste are presented. The fuel cycle on TADSEA device has been analyzed based on both: driven and transmutation fuel that had been proposed by the General Atomic design of a gas turbine-modular helium reactor. The transmutation results of the three fuel management strategies, using driven, transmutation and standard LWR spent fuel were compared, and several parameters describing the neutron performance of TADSEA nuclear core as the fuel and moderator temperature reactivity coefficients and transmutation chain, are also presented

Simulation of a mechanical thrombectomy device based in the use of self-expandable stents for the blood clots extraction

Recently, we have presented some studies concerning the analysis, design and optimization of one experimental device developed in the UK - GPTAD - which has been designed to remove blood clots without the need to make contact with the clot itself, thereby potentially reducing the risk of problems such as downstream embolisation. Based on the idea of a modification of the previous device, in this work, we present a model based in the use of stents like the SolitaireTM FR, which is in contact with the clot itself. In the case of such devices, the stent is self-expandable and the extraction of the blood clot is faciliatated by the stent, which must be inside the clot. Such stents are generally inserted in position by using the guidewire inserted into the catheter. This type of modeling could potentially be useful in showing how the blood clot is moved by the various different forces involved. The modelling has been undertaken by analyzing the resistances, compliances and inertances effects. We model an artery and blood clot for range of forces for the guidewire. In each case we determine the interaction between blood clot, stent and artery.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Novel lateral moving tracking optics with the SMS design method

Lateral moving optics along straight path has already been studied in the past. However, their relative small angular range can be a limitation to potential applications. In this work, a new design concept of SMS moving optics is developed, in which the movement is no longer lateral but follows a curved trajectory, which is calculated in the design process. We have chosen an afocal system, which aim to direct the parallel rays of large incident angles to parallel output rays, and we have obtained that the RMS of the divergence angle of the output rays remains below 1 degree within a input angular range of ±45 output. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination.

New control architecturebased on PXI for a 3-finger haptic device applied to virtual manipulation

To perform advanced manipulation of remote environments such as grasping, more than one finger is required implying higher requirements for the control architecture. This paper presents the design and control of a modular 3-finger haptic device that can be used to interact with virtual scenarios or to teleoperate dexterous remote hands. In a modular haptic device, each module allows the interaction with a scenario by using a single finger; hence, multi-finger interaction can be achieved by adding more modules. Control requirements for a multifinger haptic device are analyzed and new hardware/software architecture for these kinds of devices is proposed. The software architecture described in this paper is distributed and the different modules communicate to allow the remote manipulation. Moreover, an application in which this haptic device is used to interact with a virtual scenario is shown.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Mobile devices: dominant design as a goal

Since the beginning of the smartphones in the 80s, the mobile device market has grown and evolved towards devices connected everywhere, with hardware more and more close to computers and laptops than a classic mobile telephone. Nowadays, this market seems to be crowded and some companies seem not to know exactly which step is next. In this manner, a concept appears in the market as a solution or a difficulty to overcome: the dominant design. The thesis aims to establish an analysis and definition of what a dominant design is and how we should understand this concept: which are the costumers’ demands and needs? How can we relate this information with the dominant design? What is the strategy of the firm before designing a device? Do they use a concept similar to a dominant design?. The research base its analysis in a theoretical framework based in innovation and marketing literature, to then compare the model studied with data collected from surveys made to customers, interviews made to workers of the mobile device market, and different new projects on the market. The research finishes with a discussion about the theoretical and the empirical frameworks, and concludes replying the research questions, and defining a dominant design and its current situation in the market. RESUMEN. Desde la aparición de los Smartphones en los años 80, el mercado de los dispositivos móviles ha crecido y evolucionado hacia dispositivos cada vez más conectados, con hardware cada vez más cercano a los ordenadores de sobremesa y portátiles que al clásico teléfono móvil. A día de hoy, el mercado está saturado y algunas compañías parecen dubitativas ante el próximo paso a seguir. De esta manera, el concepto del diseño dominante aparece en el mercado como una solución a esta dificultad. El primer capítulo de este estudio se centra en establecer, a modo de introducción, los antecedentes al caso a estudiar, el objetivo de la tesis con sus limitaciones y delimitaciones, así como la metodología utilizada. También se plantean las preguntas principales (Research Questions) sobre el objetivo de la tesis, las cuales darán respuesta en la conclusión final al caso de estudio. Este proyecto tiene como objetivo establecer un análisis y definición sobre que es un diseño dominante y qué deberíamos entender como tal: ¿cuáles son las necesidades y las exigencias de los clientes? ¿Cómo se puede relacionar esta información con el diseño dominante en el sector tecnológico? ¿Cuáles son las estrategias de las empresas antes de diseñar un nuevo dispositivo? ¿Usan un concepto o modelos similares a un diseño dominante? Posteriormente, el segundo capítulo expone la bibliografía utilizada, y el enfoque analítico que se llevará a cabo con las 3 principales fuentes de datos. La investigación enfoca su análisis en un marco teórico, basado en publicaciones y bibliografía relacionadas con la innovación y el marketing, para luego comparar el modelo estudiado con un marco empírico: datos obtenidos de encuestas a consumidores, entrevistas a profesionales del sector de los dispositivos móviles, y diferentes prototipos y nuevos proyectos en este mercado. Entre esta literatura se encuentran manuales de marketing como “22 Immutable laws of Marketing” (de Al Ries & Jack Trout), publicaciones sobre el sector industrial de la tecnología y negocios: “Crossing the Chasm” de Geoffrey A. Moore y modelos de innovación entre otros como “Mastering the Dynamics of Innovation” de James M. Utterback. El tercer capítulo corresponde al estudio del marco teórico de la tesis, donde se analizará principalmente el modelo de innovación utilizado (el modelo cíclico de Utterback) y varios principios de marketing aplicados a este sector. Se plantean las bases de este modelo, la definición que el propio Utterback ofrece sobre el diseño dominante, y las 3 fases del proceso del mismo (Fluid Phase, Transitional Phase y Specific Phase), donde las empresas cambian de estrategia según las circunstancias evolutivas del dispositivo, su posición respecto el líder del mercado, o los procesos de estandarización y de costes. Por último se plantea la base para el desarrollo del diseño dominante en un ciclo evolutivo constante en el tiempo. Respecto a la parte más analítica de la tesis, el cuarto capítulo se desarrolla a partir de los datos obtenidos de las fuentes de información en el marco empírico de estudio. Se obtienen conclusiones sobre los datos realizados en ambas encuestas (en Español e Inglés) y sobre la relevancia de esta información; se estudian uno por uno hasta cuatro casos de nuevos dispositivos a corto-medio plazo en el mercado y se obtienen unas conclusiones globales sobre las entrevistas realizadas a los profesionales del sector y la relevancia de todas estas informaciones. En el quinto capítulo de la tesis se desarrolla la discusión en torno a los marcos teórico y empírico utilizados, para concluir respondiendo a las “Research Questions”, definiendo de esta manera el concepto de diseño dominante y comparando esta definición con la situación real del mercado. Se contrastan las bases del modelo de Utterback con los datos obtenidos en el capítulo cuarto, enfatizando la comparación entre las fases de este modelo con la realidad obtenida a través del estudio. Las encuestas realizadas a los consumidores se enmarcan en la segunda y tercera fase del ciclo, donde el desarrollo del diseño dominante ya está establecido y más desarrollado, mientras que las entrevistas unifican varios puntos clave a tener en cuenta en la primera y segunda fases, orientándose a las capas previas del proceso. Después se comparan uno a uno los 4 dispositivos analizados, a fin de establecer su jerarquía dentro del mercado, como posibles nuevos diseños dominantes o evoluciones especializadas de otros que ya aparecieron en el mercado con anterioridad. Así mismo, en esta parte final del estudio se comparan entre sí los resultados similares entre las tres fuentes de datos, y se analiza la veracidad de todas las fuentes consultadas. Finalmente, se han registrado en un sexto capítulo todas las referencias utilizadas en este proyecto, tanto publicaciones bibliográficas, entrevistas, citas de personajes relevantes del sector y enlaces en la red sobre noticias relevantes. En el apartado de apéndices se adjuntan tres anexos, donde se adjunta información utilizada en el caso de estudio, y la cual se ha obviado del texto principal con el objetivo de agilizar la lectura y la comprensión del mismo. Estos tres apéndices corresponden a las dos encuestas realizadas en ambos idiomas y la entrevista realizada a los profesionales del sector de los dispositivos móviles.