Debonding identification in FRP-plated RC structures using PZT sensors

The application of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method for damage detection in Structural Health Monitoring has noticeable increased in recent years. EMI method utilizes piezoelectric transducers for directly measuring the mechanical properties of the host structure, obtaining the so called impedance measurement, highly influenced by the variations of dynamic parameters of the structure. These measurements usually contain a large number of frequency points, as well as a high number of dimensions, since each frequency range swept can be considered as an independent variable. That makes this kind of data hard to handle, increasing the computational costs and being substantially time-consuming. In that sense, the Principal Component Analysis (PCA)-based data compression has been employed in this work, in order to enhance the analysis capability of the raw data. Furthermore, a Support Vector Machine (SVM), which has been widespread used in machine learning and pattern recognition fields, has been applied in this study in order to model any possible existing pattern in the PCAcompress data, using for that just the first two Principal Components. Different known non-damaged and damaged measurements of an experimental tested beam were used as training input data for the SVM algorithm, using as test input data the same amount of cases measured in beams with unknown structural health conditions. Thus, the purpose of this work is to demonstrate how, with a few impedance measurements of a beam as raw data, its healthy status can be determined based on pattern recognition procedures.

TEM study of the AlN grain orientation grown on NCD diamond substrate

Piezoelectric AlN layer grain orientation, grown by room temperature reactive sputtering, is analyzed by transmission electron microscopy (TEM).Two types of samples are studied: (i) AlN grown on well-polished NCD (nano-crystalline diamond) diamond, (ii) AlN grown on an up-side down NCD layer previously grown on a Si substrate, i.e. diamond surface as smooth as that of Si substrates. The second set of sample show a faster lignment of their AlN grain caxis attributed to it smoother diamond free surface. No grain orientation relationship between diamond substrate grain and the AlN ones is evidenced, which seems to indicate the preponderance role of the surface substrate state.

A simplified spectral approachfor impedance-based damage identification of frp-strengthened rc beams

Hoy en día, el refuerzo y reparación de estructuras de hormigón armado mediante el pegado de bandas de polímeros reforzados con fibras (FRP) se emplea cada vez con más frecuencia a causa de sus numerosas ventajas. Sin embargo, las vigas reforzadas con esta técnica pueden experimentar un modo de fallo frágil a causa del despegue repentino de la banda de FRP a partir de una fisura intermedia. A pesar de su importancia, el número de trabajos que abordan el estudio de este mecanismo de fallo y su monitorización es muy limitado. Por ello, el desarrollo de metodologías capaces de monitorizar a largo plazo la adherencia de este refuerzo a las estructuras de hormigón e identificar cuándo se inicia el despegue de la banda constituyen un importante desafío a abordar. El principal objetivo de esta tesis es la implementación de una metodología fiable y efectiva, capaz de detectar el despegue de una banda de FRP en una viga de hormigón armado a partir de una fisura intermedia. Para alcanzar este objetivo se ha implementado un procedimiento de calibración numérica a partir de ensayos experimentales. Para ello, en primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico unidimensional simple y no costoso representativo del comportamiento de este tipo vigas de hormigón reforzadas con FRP, basado en un modelo de fisura discreta para el hormigón y el método de elementos espectrales. La formación progresiva de fisuras a flexion y el consiguiente despegue en la interface entre el hormigón y el FRP se formulan mediante la introducción de un nuevo elemento capaz de representar ambos fenómenos simultáneamente sin afectar al procedimiento numérico. Además, con el modelo propuesto, se puede obtener de una forma sencilla la respuesta dinámica en altas frecuencias de este tipo de estructuras, lo cual puede hacer muy útil su uso como herramienta de diagnosis y detección del despegue en su fase inicial mediante una monitorización de la variación de las características dinámicas locales de la estructura. Un método de evaluación no destructivo muy prometedor para la monitorización local de las estructuras es el método de la impedancia usando sensores-actuadores piezoeléctricos (PZT). La impedancia eléctrica de los sensores PZT se puede relacionar con la impedancia mecánica de las estructuras donde se encuentran adheridos Ya que la impedancia mecánica de una estructura se verá afectada por su deterioro, se pueden implementar indicadores de daño mediante una comparación del espectro de admitancia (inversa de la impedancia) a lo largo de distintas etapas durante el periodo de servicio de una estructura. Cualquier cambio en el espectro se podría interpretar como una variación en la integridad de la estructura. La impedancia eléctrica se mide a altas frecuencias con lo cual esta metodología debería ser muy sensible a la detección de estados de daño incipiente local, tal como se desea en la aplicación de este trabajo. Se ha implementado un elemento espectral PZT-FRP como extensión del modelo previamente desarrollado, con el objetivo de poder calcular numéricamente la impedancia eléctrica de sensores PZT adheridos a bandas de FRP sobre una viga de hormigón armado. El modelo, combinado con medidas experimentales captadas mediante sensores PZT, se implementa en el marco de una metodología de calibración de modelos para detectar cuantitativamente el despegue en la interfase entre una banda de FRP y una viga de hormigón. El procedimiento de optimización se resuelve empleando el método del enjambre cooperativo con un algoritmo bagging. Los resultados muestran una gran aproximación en la estimación del daño para el problema propuesto. Adicionalmente, se ha desarrollado también un método adaptativo para el mallado de elementos espectrales con el objetivo de localizar las zonas dañadas a partir de los resultados experimentales, el cual contribuye a aumentar la robustez y efectividad del método propuesto a la hora de identificar daños incipientes en su aparición inicial. Finalmente, se ha llevado a cabo un procedimiento de optimización multi-objetivo para detectar el despegue inicial en una viga de hormigón a escala real reforzada con FRP a partir de las impedancias captadas con una red de sensores PZT instrumentada a lo largo de la longitud de la viga. Cada sensor aporta los datos para definir cada una de las funciones objetivo que definen el procedimiento. Combinando el modelo previo de elementos espectrales con un algoritmo PSO multi-objetivo el procedimiento de detección de daño resultante proporciona resultados satisfactorios considerando la escala de la estructura y todas las incertidumbres características ligadas a este proceso. Los resultados obtenidos prueban la viabilidad y capacidad de los métodos antes mencionados y también su potencial en aplicaciones reales. Abstract Nowadays, the external bonding of fibre reinforced polymer (FRP) plates or sheets is increasingly used for the strengthening and retrofitting of reinforced concrete (RC) structures due to its numerous advantages. However, this kind of strengthening often leads to brittle failure modes being the most dominant failure mode the debonding induced by an intermediate crack (IC). In spite of its importance, the number of studies regarding the IC debonding mechanism and bond health monitoring is very limited. Methodologies able to monitor the long-term efficiency of bonding and successfully identify the initiation of FRP debonding constitute a challenge to be met. The main purpose of this thesisis the implementation of a reliable and effective methodology of damage identification able to detect intermediate crack debonding in FRP-strengthened RC beams. To achieve this goal, a model updating procedure based on numerical simulations and experimental tests has been implemented. For it, firstly, a simple and non-expensive one-dimensional model based on the discrete crack approach for concrete and the spectral element method has been developed. The progressive formation of flexural cracks and subsequent concrete-FRP interfacial debonding is formulated by the introduction of a new element able to represent both phenomena simultaneously without perturbing the numerical procedure. Furthermore, with the proposed model, high frequency dynamic response for these kinds of structures can also be obtained in a very simple and non-expensive way, which makes this procedure very useful as a tool for diagnoses and detection of debonding in its initial stage by monitoring the change in local dynamic characteristics. One very promising active non-destructive evaluation method for local monitoring is impedance-based structural health monitoring(SHM)using piezoelectric ceramic (PZT) sensor-actuators. The electrical impedance of the PZT can be directly related to the mechanical impedance of the host structural component where the PZT transducers are attached. Since the structural mechanical impedance will be affected by the presence of structural damage, comparisons of admittance (inverse of impedance) spectra at various times during the service period of the structure can be used as damage indicator. Any change in the spectra might be an indication of a change in the structural integrity. The electrical impedance is measured at high frequencies with which this methodology appears to be very sensitive to incipient damage in structural systems as desired for our application. Abonded-PZT-FRP spectral beam element approach based on an extension of the previous discrete crack approach is implemented in the calculation of the electrical impedance of the PZT transducer bonded to the FRP plates of a RC beam. This approach in conjunction with the experimental measurements of PZT actuator-sensors mounted on the structure is used to present an updating methodology to quantitatively detect interfacial debonding between a FRP strip and the host RC structure. The updating procedure is solved by using an ensemble particle swarm optimization approach with abagging algorithm, and the results demonstrate a big improvement for the performance and accuracy of the damage detection in the proposed problem. Additionally, an adaptive strategy of spectral element mesh has been also developed to detect damage location with experimental results, which shows the robustness and effectiveness of the proposed method to identify initial and incipient damages at its early stage. Lastly, multi-objective optimization has been carried out to detect debonding damage in a real scale FRP-strengthened RC beam by using impedance signatures. A net of PZT sensors is distributed along the beam to construct impedance-based multiple objectives under gradually induced damage scenario. By combining the spectral element model presented previously and an ensemble multi-objective PSO algorithm, the implemented damage detection process yields satisfactory predictions considering the scale and uncertainties of the structure. The obtained results prove the feasibility and capability of the aforementioned methods and also their potentials in real engineering applications.

Calibración de sensores de fuerza bajo estímulos sinusoidales: contribuciones a su caracterización

El presente trabajo tiene como objetivo el desarrollo de un patrón primario para la calibración de sensores de fuerza bajo excitaciones sinusoidales. Con consecuencia de dicho desarrollo se establecerá un método de calibración de sensores de fuerza en condiciones dinámicas que permitirá la caracterización de estos sensores en dichas condiciones y determinar la incertidumbre asociada. Este patrón se basa en la definición directa de fuerza como masa por aceleración. Para ello se carga el sensor con distintas cargas calibradas y se somete a distintas aceleraciones mediante un excitador de vibraciones. Dichas aceleraciones se generan para frecuencias desde 5 Hz a 2400 Hz. La aceleración se mide mediante un vibrómetro láser con trazabilidad a la unidad de longitud (longitud de onda del láser). Al ser una medición completamente dinámica se necesita un sistema de adquisición de datos multicanal para la toma de datos en tiempo real. Este sistema adquiere las señales eléctricas provenientes del vibrómetro láser, del sensor a caracterizar y del acelerómetro para mediciones auxiliares. Se ha dispuesto de cuatro sensores de fuerza para realizar ensayos, un sensor piezoeléctrico y tres sensores resistivos. En este trabajo se han estudiado los factores de influencia y se ha implementado un método de calibración para minimizar los mismos, así como también se han establecido las correcciones a realizar. Para la caracterización dinámica del sensor se ha partido de un modelo de oscilador armónico amortiguado forzado, se ha establecido la metodología para la determinación de sus parámetros de caracterización y se ha estudiado su validez. También se ha realizado una comparación entre los resultados obtenidos para condiciones estáticas y dinámicas. ABSTRACT The aim in the current work is the development of a primary standard for force sensors calibration under sinusoidal excitations. As consequence of this development a method for force sensors calibration under dynamic conditions will be established that will allow these sensors characterization for such conditions and the determination of their associated uncertainty. This standard is based on the direct definition of force as mass multiplied by acceleration. To do so, the sensor is loaded with different calibrated loads and is maintained under different accelerations by means of a vibration shaker. These accelerations are generated with frequencies from 5 Hz up to 2400 Hz. The acceleration is measured by means of a laser vibrometer with traceability to the unit of length (laser wavelength). As the measurement is totally dynamic a multiple channel data acquisition system is required for data acquisition in real time. This system acquires the electrical signals outputs coming from the laser vibrometer, the sensor to be characterised and two accelerometers for additional measurements. Four force sensors, one piezoelectric sensor and three resistive sensors, have been available to perform the tests. During this work the influence factors have been studied and a calibration method to minimise these factors have been implemented as well as the corrections to be performed have been established. As the starting point for the sensor dynamic characterization, a model for a forced damped harmonic oscillator has been used, a method for the characterizing parameters determination has been established and its validity has been studied. A comparison between results for static and dynamic conditions has been performed as well.

High sensitivity biosensors based on shear mode AIN resonators for in liquid operation

El diagnóstico y detección temprana de enfermedades son clave para reducir la tasa de mortalidad, las hospitalizaciones de larga duración y el desaprovechamiento de recursos. En los últimos años se ha impulsado, mediante un aumento de la financiación, el desarrollo de nuevos biosensores de bajo coste capaces de detectar y cuantificar cantidades muy pequeñas de especies biológicas de una forma barata y sencilla. El trabajo presentado en esta Tesis Doctoral describe la investigación llevada a cabo en el desarrollo de sensores gravimétricos basados en resonadores de ondas acústicas de volumen (BAW) de estructura maciza (SMR). Los dispositivos emplean películas delgadas de A1N como material piezoeléctrico y operan en modo de cizalladura, para así poder detectar especies biológicas en medio líquido. El principio de funcionamiento de estos sensores se basa en la variación que experimenta la frecuencia de resonancia al quedar una pequeña masa adherida a su superficie. Necesitan operar en modo de cizalladura para que su resonancia no se atenúe al trabajar en medio líquido, así como ofrecer una superficie capaz de ser funcionalizada específicamente para la especie biológica a detectar. El reto planteado en esta tesis requiere un acercamiento pluridisciplinar al problema que incluye el estudio de los diferentes materiales que constituyen la estructura multicapa que forma un SMR, el diseño y fabricación del dispositivo y del sistema de fluídica, la funcionalización bioquímica de la superficie del sensor, la demostración de la capacidad de detección de especies biológicas y finalmente el diseño y fabricación de la electrónica asociada para la detección de la señal eléctrica. Todas esas tareas han sido abordadas en las distintas etapas del desarrollo de esta tesis y las contribuciones más relevantes se describen en el documento. En el campo de desarrollo de los materiales, se propone un proceso en dos etapas para la pulverización reactiva de capas de A1N que contengan microcristales inclinados capaces de excitar el modo de cizalladura. Se caracteriza la velocidad acústica del modo de cizalladura en todos los materiales que componen la estructura, con el fin de poder obtener un diseño más adecuado del reflector acústico. Se propone un nuevo tipo de material aislante de alta impedancia acústica consistente en capas de W03 pulverizadas que presenta ciertas ventajas tecnológicas frente a las capas convencionales de Ta205. Respecto del diseño del transductor, se estudia la influencia que tienen los con tactos eléctricos extendidos del resonador necesarios para poder adaptar el sistema de fluídica a la estructura. Los resultados indican que es necesario trabajar sobre sustratos aislantes (tanto el soporte como el espejo acústico) para evitar efectos parásitos asociados al uso de capas metálicas bajo los electrodos del resonador que dañan su resonancia. Se analiza la influencia de las diferentes capas del dispositivo en el coeficiente de temperatura de la frecuencia (TCF) del resonador llegando a la conclusión de que las dos últimas capas del reflector acústico afectan significativamente al TCF del SMR, pudiendo reducirse ajusfando adecuadamente sus espesores. De acuerdo con los resultados de estos estudios, se han diseñado finalmente resonadores SMR operando a f .3 GHz en modo de cizalladura, con un área activa de 65000 /xm2, contactos eléctricos que se extienden f .7 mm y factores de calidad en líquido de f 50. Las extensiones eléctricas permiten adaptar el resonador a un sistema de fluídica de metacrilato. Para la detección de especies biológicas se realiza un montaje experimental que permite circular 800 ¡A por la superficie del sensor a través de un circuito cerrado que trabaja a volumen constante. La circulación de soluciones iónicas sobre el sensor descubierto pone de manifiesto que las altas frecuencias de operación previenen los cortocircuitos y por tanto el aislamiento de los electrodos es prescindible. Se desarrolla un protocolo ad-hoc de funcionalización basado en el proceso estándar APTESGlutaraldehído. Se proponen dos alternativas novedosas para la funcionalización de las áreas activas del sensor basadas en el uso de capas de oxidación de Ir02 y su activación a través de un plasma de oxígeno que no daña al dispositivo. Ambos procesos contribuyen a simplificar notablemente la funcionalización de los sensores gravimétricos. Se utilizan anticuerpos y aptámeros como receptores para detectar trombina, anticuerpo monoclonal IgG de ratón y bacteria sonicadas. Una calibración preliminar del sensor con depósitos de capas finas de Si02 de densidad y espesor conocidos permite obtener una sensibilidad de 1800 kHz/pg-cm2 y un límite de detección of 4.2 pg. Finalmente se propone el prototipo de un circuito electrónico de excitación y lectura de bajo coste diseñado empleando teoría de circuitos de microondas. Aunque su diseño y funcionamiento admite mejoras, constituye la última etapa de un sistema completo de bajo coste para el diagnóstico de especies biológicas basado en resonadores SMR de A1N. ABSTRACT Early diagnosis and detection of diseases are essential for reducing mortality rate and preventing long-term hospitalization and waste of resources. These requirements have boosted the efforts and funding on the research of accurate and reliable means for detection and quantification of biological species, also known as biosensors. The work presented in this thesis describes the development and fabrication of gravimetric biosensors based on piezoelectric AlN bulk acoustic wave (BAW) solidly mounted resonators (SMRs) for detection of biological species in liquid media. These type of devices base their sensing principles in the variation that their resonant frequency suffers when a mass is attached to their surface. They need to operate in the shear mode to maintain a strong resonance in liquid and an adequate functionalisation of their sensing area to guarantee that only the targeted molecules cause the shift. The challenges that need to be overcome to achieve piezoelectric BAW resonators for high sensitivity detection in fluids require a multidisciplinary approach, that include the study of the materials involved, the design of the device and the fluidic system, the biochemical functionalisation of the active area, the experimental proof-of-concept with different target species and the design of an electronic readout circuit. All this tasks have been tackled at different stages of the thesis and the relevant contributions are described in the document. In the field of materials, a two-stage sputtering deposition process has been developed to obtain good-quality AlN films with uniformly tilted grains required to excite the shear mode. The shear acoustic velocities of the materials composing the acoustic reflector have been accurately studied to ensure an optimum design of the reflector stack. WO3 sputtered films have been proposed as high acoustic impedance material for insulating acoustic reflectors. They display several technological advantages for the processing of the resonators. Regarding the design, a study of the influence of the electrical extensions necessary to fit a fluidic system on the performance of the devices has been performed. The results indicate that high resistivity substrates and insulating reflectors are necessary to avoid the hindering of the resonance due to the parasitic effects induced by the extensions. The influence of the different layers of the stack on the resultant TCF of the SMRs has also been investigated. The two layers of the reflector closer to the piezoelectric layer have a significant influence on the TCF, which can be reduced by modifying their thicknesses accordingly. The data provided by these studies has led to the final design of the devices, which operate at 1.3 GHz in the shear mode and display an active area of 65000 /xm2 and electrical extensions of 1.7 mm while keeping a Qahear=150 in liquid. The extensions enable to fit a custom-made fluidic system made of methacrylate. To perform the biosensing experiments, an experimental setup with a liquid closed circuit operating at constant flow has been developed. Buffers of ionic characteristics have been tested on non-isolated devices, revealing that high operation frequencies prevent the risk of short circuit. An ad-hoc functionalisation protocol based on the standard APTES - Glutaraldehyde process has been developed. It includes two new processes that simplify the fabrication of the transducers: the use of IrO2 as oxidation layer and its functionalisation through an O2 plasma treatment that does not damage the resonators. Both antibodies and aptamers are used as receptors. In liquid sensing proof-of-concept experiments with thrombin, IgG mouse monoclonal antibody and sonicated bacteria have been displayed. A preliminary calibration of the devices using SiO2 layers reveals a sensitivity of 1800 kHz/pg-cm2 and a limit of detection of 4.2 pg. Finally, a first prototype of a low-cost electronic readout circuit designed using a standard microwave approach has been developed. Although its performance can be significantly improved, it is an effective first approach to the final stage of a portable low-cost diagnostic system based on shear mode AlN SMRs.

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.

Resonadores piezoeléctricos de cizalladura: estudio de la formación de biofilms y caracterización de fluidos magneto‐reológicos

La presente tesis revisa y analiza algunos aspectos fundamentales relativos al comportamiento de los sensores basados en resonadores piezoeléctricos TSM (Thickness Shear Mode), así como la aplicación de los mismos al estudio y caracterización de dos medios viscoelásticos de gran interés: los fluidos magnetoreológicos y los biofilms microbianos. El funcionamiento de estos sensores está basado en la medida de sus propiedades resonantes, las cuales varían al entrar en contacto con el material que se quiere analizar. Se ha realizado un análisis multifrecuencial, trabajando en varios modos de resonancia del transductor, en algunas aplicaciones incluso de forma simultánea (excitación pulsada). Se han revisado fenómenos como la presencia de microcontactos en la superficie del sensor y la resonancia de capas viscoelásticas de espesor finito, que pueden afectar a los sensores de cuarzo de manera contraria a lo que predice la teoría convencional (Sauerbrey y Kanazawa), pudiéndonos llevar a incrementos positivos de la frecuencia de resonancia. Además, se ha estudiado el efecto de una deposición no uniforme sobre el resonador piezoeléctrico. Para ello se han medido deposiciones de poliuretano, modelándose la respuesta del resonador con estas deposiciones mediante FEM. El modelo numérico permite estudiar el comportamiento del resonador al modificar distintas variables geométricas (espesor, superficie, no uniformidad y zona de deposición) de la capa depositada. Se ha demostrado que para espesores de entre un cuarto y media longitud de onda aproximadamente, una capa viscoelástica no uniforme sobre la superficie del sensor, amplifica el incremento positivo del desplazamiento de la frecuencia de resonancia en relación con una capa uniforme. Se ha analizado también el patrón geométrico de la sensibilidad del sensor, siendo también no uniforme sobre su superficie. Se han aplicado sensores TSM para estudiar los cambios viscoelásticos que se producen en varios fluidos magneto-reológicos (FMR) al aplicarles distintos esfuerzos de cizalla controlados por un reómetro. Se ha podido ver que existe una relación directa entre diversos parámetros reológicos obtenidos con el reómetro (fuerza normal, G’, G’’, velocidad de deformación, esfuerzo de cizalla…) y los parámetros acústicos, caracterizándose los FMR tanto en ausencia de campo magnético, como con campo magnético aplicado a distintas intensidades. Se han estudiado las ventajas que aporta esta técnica de medida sobre la técnica basada en un reómetro comercial, destacando que se consigue caracterizar con mayor detalle algunos aspectos relevantes del fluido como son la deposición de partículas (estabilidad del fluido), el proceso de ruptura de las estructuras formadas en los FMR tanto en presencia como en ausencia de campo magnético y la rigidez de los microcontactos que aparecen entre partículas y superficies. También se han utilizado sensores de cuarzo para monitorear en tiempo real la formación de biofilms de Staphylococcus epidermidis y Eschericia coli sobre los propios resonadores de cristal de cuarzo sin ningún tipo de recubrimiento, realizándose ensayos con cepas que presentan distinta capacidad de producir biofilm. Se mostró que, una vez que se ha producido una primera adhesión homogénea de las bacterias al sustrato, podemos considerar el biofilm como una capa semi-infinita, de la cual el sensor de cuarzo refleja las propiedades viscoelásticas de la región inmediatamente contigua al resonador, no siendo sensible a lo que sucede en estratos superiores del biofilm. Los experimentos han permitido caracterizar el módulo de rigidez complejo de los biofilms a varias frecuencias, mostrándose que el parámetro característico que indica la adhesión de un biofilm tanto en el caso de S. epidermidis como de E. coli, es el incremento de G’ (relacionado con la elasticidad o rigidez de la capa), el cual viene ligado a un incremento de la frecuencia de resonancia del sensor. ABSTRACT This thesis reviews and analyzes some key aspects of the behavior of sensors based on piezoelectric resonators TSM (Thickness Shear Mode) and their applications to the study and characterization in two viscoelastic media of great interest: magnetorheological fluids and microbial biofilms. The operation of these sensors is based on the analysis of their resonant properties that vary in contact with the material to be analyzed. We have made a multi-frequency analysis, working in several modes of resonance of the transducer, in some applications even simultaneously (by impulse excitation). We reviewed some phenomena as the presence of micro-contacts on the sensor surface and the resonance of viscoelastic layers of finite thickness, which can affect quartz sensors contrary to the conventional theory predictions (Sauerbrey and Kanazawa), leading to positive resonant frequency shifts. In addition, we studied the effect of non-uniform deposition on the piezoelectric resonator. Polyurethane stools have been measured, being the resonator response to these depositions modeled by FEM. The numerical model allows studying the behavior of the resonator when different geometric variables (thickness, surface non-uniformity and deposition zone) of the deposited layer are modified. It has been shown that for thicknesses between a quarter and a half of a wavelength approximately, non-uniform deposits on the sensor surface amplify the positive increase of the resonance frequency displacement compared to a uniform layer. The geometric pattern of the sensor sensitivity was also analyzed, being also non-uniform over its surface. TSM sensors have been applied to study the viscoelastic changes occurring in various magneto-rheological fluids (FMR) when subjected to different controlled shear stresses driven by a rheometer. It has been seen that there is a direct relationship between various rheological parameters obtained with the rheometer (normal force, G', G'', stress, shear rate ...) and the acoustic parameters, being the FMR characterized both in the absence of magnetic field, and when the magnetic field was applied at different intensities. We have studied the advantages of this technique over the characterization methods based on commercial rheometers, noting that TSM sensors are more sensitive to some relevant aspects of the fluid as the deposition of particles (fluid stability), the breaking process of the structures formed in the FMR both in the presence and absence of magnetic field, and the rigidity of the micro-contacts appearing between particles and surfaces. TSM sensors have also been used to monitor in real time the formation of biofilms of Staphylococcus epidermidis and Escherichia coli on the quartz crystal resonators themselves without any coating, performing tests with strains having different ability to produce biofilm. It was shown that, once a first homogeneous adhesion of bacteria was produced on the substrate, the biofilm can be considered as a semi-infinite layer and the quartz sensor reflects only the viscoelastic properties of the region immediately adjacent to the resonator, not being sensitive to what is happening in upper layers of the biofilm. The experiments allow the evaluation of the biofilm complex stiffness module at various frequencies, showing that the characteristic parameter that indicates the adhesion of a biofilm for the case of both S. epidermidis and E. coli, is an increased G' (related to the elasticity or stiffness of the layer), which is linked to an increase in the resonance frequency of the sensor.

Calibration of accelerometers for the measurement of microvibrations

The accelerometers used for the measurement of microvibrations or microgravity applications, such as active control of space structures, attitude control, scientific payloads, or even on-Earth testing of structures at very low-excitation levels, require a dedicated calibration procedure that includes the gravitational effects. Otherwise, on-Earth calibrations can be inaccurate due to the collateral projection of the local gravity onto the sensitive axis. An on-Earth calibration technique for the 107102s amplitude range and 0-100-Hz frequency range is described. Special attention has been given to the modeling of gravitational effects on the response of the calibration device and the accelerometer itself. The sensitivity and resolution tests performed on piezoelectric accelerometers showthe accuracy andthe potential of thistechnique. Typical scale factorun certainty, which hasbeen carefully analyzed, is of the order of 2% at acceleration levels of 10sg.

Health monitoring of a new hysteretic damper subjected to earthquakes on a shaking table

This paper presents the experimental results obtained by applying frequency-domain structural health monitoring techniques to assess the damage suffered on a special type of damper called Web Plastifying Damper (WPD). The WPD is a hysteretic type energy dissipator recently developed for the passive control of structures subjected to earthquakes. It consists of several I-section steel segments connected in parallel. The energy is dissipated through plastic deformations of the web of the I-sections, which constitute the dissipative parts of the damper. WPDs were subjected to successive histories of dynamically-imposed cyclic deformations of increasing magnitude with the shaking table of the University of Granada. To assess the damage to the web of the I-section steel segments after each history of loading, a new damage index called Area Index of Damage (AID) was obtained from simple vibration tests. The vibration signals were acquired by means of piezoelectric sensors attached on the I-sections, and non-parametric statistical methods were applied to calculate AID in terms of changes in frequency response functions. The damage index AID was correlated with another energy-based damage index-ID- which past research has proven to accurately characterize the level of mechanical damage. The ID is rooted in the decomposition of the load-displacement curve experienced by the damper into the so-called skeleton and Bauschinger parts. ID predicts the level of damage and the proximity to failure of the damper accurately, but it requires costly instrumentation. The experiments reported in this paper demonstrate a good correlation between AID and ID in a realistic seismic loading scenario consisting of dynamically applied arbitrary cyclic loads. Based on this correlation, it is possible to estimate ID indirectly from the AID, which calls for much simpler and less expensive instrumentation.

Electro-optical characterization of IC compatible microcantilevers

The aim of this work is to simulate and optically characterize the piezoelectric performance of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatible microcantilevers based on aluminium nitride (AlN) and manufactured at room temperature. This study should facilitate the integration of piezoelectric micro-electro-mechanical systems (MEMS) such as microcantilevers, in CMOS technology. Besides compatibility with standard integrated circuit manufacturing procedures, low temperature processing also translates into higher throughput and, as a consequence, lower manufacturing costs. Thus, the use of the piezoelectric properties of AlN manufactured by reactive sputtering at room temperature is an important step towards the integration of this type of devices within future CMOS technology standards. To assess the reliability of our fabrication process, we have manufactured arrays of free-standing microcantilever beams of variable dimension and studied their piezoelectric performance. The characterization of the first out-of-plane modes of AlN-actuated piezoelectric microcantilevers has been carried out using two optical techniques: laser Doppler vibrometry (LDV) and white light interferometry (WLI). In order to actuate the cantilevers, a periodic chirp signal in certain frequency ranges was applied between the device electrodes. The nature of the different vibration modes detected has been studied and compared with that obtained by a finite element model based simulation (COMSOL Multiphysics), showing flexural as well as torsional modes. The correspondence between theoretical and experimental data is reasonably good, probing the viability of this high throughput and CMOS compatible fabrication process. To complete the study, X-ray diffraction as well as d33 piezoelectric coefficient measurements were also carried out.