High precision pressure sensors based on SAW devices in the GHz range

In this paper, an AlN/free-standing nanocrystalline diamond (NCD) system is proposed in order to process high frequency surface acoustic wave (SAW) resonators for sensing applications. The main problem of synthetic diamond is its high surface roughness that worsens the sputtered AlN quality and hence the device response. In order to study the feasibility of this structure, AlN films from 150 nm up to 1200 nm thick have been deposited on free-standing NCD. We have then analysed the influence of the AlN layer thickness on its crystal quality and device response. Optimized thin films of 300 nm have been used to fabricate of one-port SAW resonators operating in the 10–14 GHz frequency range. A SAW based sensor pressure with a sensibility of 0.33 MHz/bar has been fabricated.

Study of the temperature distribution in Si nanowires under microscopic laser beam excitation

The use of laser beams as excitation sources for the characterization of semiconductor nanowires (NWs) is largely extended. Raman spectroscopy and photoluminescence (PL) are currently applied to the study of NWs. However, NWs are systems with poor thermal conductivity and poor heat dissipation, which result in unintentional heating under the excitation with a focused laser beam with microscopic size, as those usually used in microRaman and microPL experiments. On the other hand, the NWs have subwavelength diameter, which changes the optical absorption with respect to the absorption in bulk materials. Furthermore, the NW diameter is smaller than the laser beam spot, which means that the optical power absorbed by the NW depends on its position inside the laser beam spot. A detailed analysis of the interaction between a microscopic focused laser beam and semiconductor NWs is necessary for the understanding of the experiments involving laser beam excitation of NWs. We present in this work a numerical analysis of the thermal transport in Si NWs, where the heat source is the laser energy locally absorbed by the NW. This analysis takes account of the optical absorption, the thermal conductivity, the dimensions, diameter and length of the NWs, and the immersion medium. Both free standing and heat-sunk NWs are considered. Also, the temperature distribution in ensembles of NWs is discussed. This analysis intends to constitute a tool for the understanding of the thermal phenomena induced by laser beams in semiconductor NWs.

Electromagnetic interaction between a laser beam and semiconductor nanowires deposited on different substrates: Raman enhancement in Si Nanowires

Raman scattering of Si nanowires (NWs) presents antenna effects. The electromagnetic resonance depends on the electromagnetic coupling of the system laser/NW/substrate. The antenna effect of the Raman signal was measured in individual NWs deposited on different substrates, and also free standing NWs in air. The one phonon Raman band in NWs can reach high intensities depending on the system configuration; values of Raman intensity per unit volume more than a few hundred times with respect to bulk substrate can be obtainedRaman scattering of Si nanowires (NWs) presents antenna effects. The electromagnetic resonance depends on the electromagnetic coupling of the system laser/NW/substrate. The antenna effect of the Raman signal was measured in individual NWs deposited on different substrates, and also free standing NWs in air. The one phonon Raman band in NWs can reach high intensities depending on the system configuration; values of Raman intensity per unit volume more than a few hundred times with respect to bulk substrate can be obtained

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.

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.

Theoretical analysis and numerical verification of the consistency of viscous smoothed-particle-hydrodynamics formulations in simulating free-surface flows

The theoretical formulation of the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method deserves great care because of some inconsistencies occurring when considering free-surface inviscid flows. Actually, in SPH formulations one usually assumes that (i) surface integral terms on the boundary of the interpolation kernel support are neglected, (ii) free-surface conditions are implicitly verified. These assumptions are studied in detail in the present work for free-surface Newtonian viscous flow. The consistency of classical viscous weakly compressible SPH formulations is investigated. In particular, the principle of virtual work is used to study the verification of the free-surface boundary conditions in a weak sense. The latter can be related to the global energy dissipation induced by the viscous term formulations and their consistency. Numerical verification of this theoretical analysis is provided on three free-surface test cases including a standing wave, with the three viscous term formulations investigated.

Benefits of using a Wendland Kernel for free-surface flows

The aim of this paper Is lo discuss the influence of the selection of the interpolation kernel in the accuracy of the modeling of the internal viscous dissipation in Tree surface Hows, Simulations corresponding to a standing wave* for which an analytic solution available, are presented. Wendland and renormalized Gaussian kernels are considered. The differences in the flow pattern* and Internal dissipation mechanisms are documented for a range of Reynolds numbers. It is shown that the simulations with Wendland kernels replicate the dissipation mechanisms more accurately than those with a renormalized Gaussian kernel. Although some explanations are hinted we have Tailed to clarify which the core structural reasons for Mich differences are*

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

A 2D computational parametric analysis of the sheltering effect of fences on a railway vehicle standing on a bridge and experiencing crosswinds

In a crosswind scenario, the risk of high-speed trains overturning increases when they run on viaducts since the aerodynamic loads are higher than on the ground. In order to increase safety, vehicles are sheltered by fences that are installed on the viaduct to reduce the loads experienced by the train. Windbreaks can be designed to have different heights, and with or without eaves on the top. In this paper, a parametric study with a total of 12 fence designs was carried out using a two-dimensional model of a train standing on a viaduct. To asses the relative effectiveness of sheltering devices, tests were done in a wind tunnel with a scaled model at a Reynolds number of 1 × 105, and the train’s aerodynamic coefficients were measured. Experimental results were compared with those predicted by Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) simulations of flow, showing that a computational model is able to satisfactorily predict the trend of the aerodynamic coefficients. In a second set of tests, the Reynolds number was increased to 12 × 106 (at a free flow air velocity of 30 m/s) in order to simulate strong wind conditions. The aerodynamic coefficients showed a similar trend for both Reynolds numbers; however, their numerical value changed enough to indicate that simulations at the lower Reynolds number do not provide all required information. Furthermore, the variation of coefficients in the simulations allowed an explanation of how fences modified the flow around the vehicle to be proposed. This made it clear why increasing fence height reduced all the coefficients but adding an eave had an effect mainly on the lift force coefficient. Finally, by analysing the time signals it was possible to clarify the influence of the Reynolds number on the peak-to-peak amplitude, the time period and the Strouhal number.

Dynamic interactions between solids and viscous liquids with free surface = Interacciones dinámicas entre sólidos y líquidos viscosos con superficie libre

En esta tesis se investiga la interacción entre un fluido viscoso y un cuerpo sólido en presencia de una superficie libre. El problema se expresa teóricamente poniendo especial atención a los aspectos de conservación de energía y de la interacción del fluido con el cuerpo. El problema se considera 2D y monofásico, y un desarrollo matemático permite una descomposición de los términos disipativos en términos relacionados con la superficie libre y términos relacionados con la enstrofía. El modelo numérico utilizado en la tesis se basa en el método sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). De manera análoga a lo que se hace a nivel continuo, las propiedades de conservación se estudian en la tesis con el sistema discreto de partículas. Se tratan también las condiciones de contorno de un cuerpo que se mueve en un flujo viscoso, implementadas con el método ghost-fluid. Se ha desarrollado un algoritmo explícito de interacción fluido / cuerpo. Se han documentado algunos casos de modo detallado con el objetivo de comprobar la capacidad del modelo para reproducir correctamente la disipación de energía y el movimiento del cuerpo. En particular se ha investigado la atenuación de una onda estacionaria, comparando la simulación numérica con predicciones teóricas. Se han realizado otras pruebas para monitorizar la disipación de energía para flujos más violentos que implican la fragmentación de la superficie libre. La cantidad de energía disipada con los diferentes términos se ha evaluado en los casos estudiados con el modelo numérico. Se han realizado otras pruebas numéricas para verificar la técnica de modelización de la interacción fluido / cuerpo, concretamente las fuerzas ejercidas por las olas en cuerpos con formas simples, y el equilibrio de un cuerpo flotante con una forma compleja. Una vez que el modelo numérico ha sido validado, se han realizado simulaciones numéricas para obtener una comprensión más completa de la física implicada en casos (casi) realistas sobre los había aspectos que no se conocían suficientemente. En primer lugar se ha estudiado el el flujo alrededor de un cilindro bajo la superficie libre. El estudio se ha realizado con un número de Reynolds moderado, para un rango de inmersiones del cilindro y números de Froude. La solución numérica permite una investigación de los patrones complejos que se producen. La estela del cilindro interactúa con la superficie libre. Se han identificado algunos inestabilidades características. El segundo estudio se ha realizado sobre el problema de sloshing, tanto experimentalmente como numéricamente. El análisis se restringe a aguas poco profundas y con oscilación horizontal, pero se ha estudiado un gran número de condiciones, lo que lleva a una comprensión bastante completa de los sistemas de onda involucradas. La última parte de la tesis trata también sobre un problema de sloshing pero esta vez el tanque está oscilando con rotación y hay acoplamiento con un sistema mecánico. El sistema se llama pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper - con líquido amortiguador). Este tipo de sistema se utiliza normalmente para la amortiguación de las estructuras civiles. El análisis se ha realizado analíticamente, numéricamente y experimentalmente utilizando líquidos con viscosidades diferentes, centrándose en características no lineales y mecanismos de disipación. ABSTRA C T The subject of the present thesis is the interaction between a viscous fluid and a solid body in the presence of a free surface. The problem is expressed first theoretically with a particular focus on the energy conservation and the fluid-body interaction. The problem is considered 2D and monophasic, and some mathematical development allows for a decomposition of the energy dissipation into terms related to the Free Surface and others related to the enstrophy. The numerical model used on the thesis is based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): a computational method that works by dividing the fluid into particles. Analogously to what is done at continuum level, the conservation properties are studied on the discrete system of particles. Additionally the boundary conditions for a moving body in a viscous flow are treated and discussed using the ghost-fluid method. An explicit algorithm for handling fluid-body coupling is also developed. Following these theoretical developments on the numerical model, some test cases are devised in order to test the ability of the model to correctly reproduce the energy dissipation and the motion of the body. The attenuation of a standing wave is used to compare what is numerically simulated to what is theoretically predicted. Further tests are done in order to monitor the energy dissipation in case of more violent flows involving the fragmentation of the free-surface. The amount of energy dissipated with the different terms is assessed with the numerical model. Other numerical tests are performed in order to test the fluid/body interaction method: forces exerted by waves on simple shapes, and equilibrium of a floating body with a complex shape. Once the numerical model has been validated, numerical tests are performed in order to get a more complete understanding of the physics involved in (almost) realistic cases. First a study is performed on the flow passing a cylinder under the free surface. The study is performed at moderate Reynolds numbers, for various cylinder submergences, and various Froude numbers. The capacity of the numerical solver allows for an investigation of the complex patterns which occur. The wake from the cylinder interacts with the free surface, and some characteristical flow mechanisms are identified. The second study is done on the sloshing problem, both experimentally and numerically. The analysis is restrained to shallow water and horizontal excitation, but a large number of conditions are studied, leading to quite a complete understanding of the wave systems involved. The last part of the thesis still involves a sloshing problem but this time the tank is rolling and there is coupling with a mechanical system. The system is named pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper). This kind of system is normally used for damping of civil structures. The analysis is then performed analytically, numerically and experimentally for using liquids with different viscosities, focusing on non-linear features and dissipation mechanisms.