Mechanical Characterization of Lead-Free Sn-Ag-Cu Solder Joints by High-Temperature Nanoindentation

The reliability of Pb-free solder joints is controlled by their microstructural constituents. Therefore, knowledge of the solder microconstituents’ mechanical properties as a function of temperature is required. Sn-Ag-Cu lead-free solder alloy contains three phases: a Sn-rich phase, and the intermetallic compounds (IMCs) Cu6Sn5 and Ag3Sn. Typically, the Sn-rich phase is surrounded by a eutectic mixture of β-Sn, Cu6Sn5, and Ag3Sn. In this paper, we report on the Young’s modulus and hardness of the Cu6Sn5 and Cu3Sn IMCs, the β-Sn phase, and the eutectic compound, as measured by nanoindentation at elevated temperatures. For both the β-Sn phase and the eutectic compound, the hardness and Young’s modulus exhibited strong temperature dependence. In the case of the intermetallics, this temperature dependence is observed for Cu6Sn5, but the mechanical properties of Cu3Sn are more stable up to 200°C.

Simulation, construction and characterization of a piezoelectric transducer using rexolite as acoustic matching

This article describes the simulation and characterization of an ultrasonic transducer using a new material called Rexolite to be used as a matching element. This transducer was simulated using a commercial piezoelectric ceramic PIC255 at 8 MHz. Rexolite, the new material, presents an excellent acoustic matching, specially in terms of the acoustic impedance of water. Finite elements simulations were used in this work. Rexolite was considered as a suitable material in the construction of the transducer due to its malleability and acoustic properties, to validate the simulations a prototype transducer was constructed. Experimental measurements were used to determine the resonance frequency of the prototype transducer. Simulated and experimental results were very similar showing that Rexolite may be an excellent matching, particularly for medical applications.

Efecto del Cross-talk en la respuesta de un Transductor Ultrasónico tipo PZT

El presente trabajo de tesis investiga el efecto del fenómeno conocido como “Cross-talk” generado por el modo lateral de vibración, en la respuesta de un transductor ultrasónico formado por un arreglo de elementos piezoeléctricos tipo PZT (Zircanato Titanato de Plomo), la investigación se lleva a cabo desde el punto de vista de la naturaleza física de este efecto, así como de los parámetros asociados al mismo, así como un análisis del efecto del “Cross-talk” en la respuesta del transductor, formado por arreglos de elementos piezoeléctricos. Diversas investigaciones han abordado el fenómeno del “Cross-talk” y de sus efectos en la respuesta de los transductores, estos se han enfocado principalmente al modo espesor (thickness) de vibración. Sin embargo no ha habido un estudio a fondo para el estudio de este fenómeno en el modo lateral de vibración tema de interés de este trabajo de tesis. Este trabajo incluye simulaciones del fenómeno del “Cross-talk” mediante el método de los elementos finitos (MEF), así como la construcción de un transductor tipo matricial (arrray) de 2x3 elementos, en el que fueron realizadas las mediciones físicas del fenómeno. El trabajo abarca un estudio comparativo entre las simulaciones y las mediciones realizadas en el transductor, considerando que las cerámicas del transductor están montadas sobre diferentes materiales (backing) en donde la propagación de la energía emitida por las cerámicas piezoeléctricas provoca un mayor o menor grado de “Cross-talk” dependiendo de la velocidad en que se propaga dicha energía. Esta investigación también llevó a cabo el estudio del efecto del “Cross-talk” en el patrón de radiación que emite el arreglo de elementos piezoeléctricos, siendo este patrón de radiación un factor importante en la respuesta del transductor, motivo por el cual se realizó un análisis de cómo se ve afectado este patrón bajo la influencia del fenómeno del “Cross-talk”. Como ya se mencionó debido a la falta de un estudio a profundidad del fenómeno del “Cross-talk” en el modo lateral, la contribución del presente trabajo es importante ya que se enfoca al modo lateral de vibración de los elementos piezoeléctricos del arreglo. En particular se desarrollo una ecuación que permite cuantificar el fenómeno del “Cross-talk” y visualizar sus efectos en el arreglo. Derivando de este estudio se concluye que el fenómeno del “Cross-talk” generado por el modo lateral de vibración tiene un efecto significativo en la respuesta de los diferentes transductores matriciales considerados. ABSTRACT This thesis investigates the effect of the phenomenon known as crosstalk from the point of view of its physical nature and the elements that lead to the formation of this phenomenon to an analysis of how it may affect the performance of the ultrasonic transducer. This phenomenon occurs primarily in matrix arrays and this phenomenon is magnified by certain factors causing serious problems in the performance of a transducer. Researchers have addressed the phenomenon of crosstalk and their effects on the response of these transducers. They have mainly focused in the thickness vibration mode, and there has been no comprehensive study of this phenomenon in the lateral vibration mode, issue of interest of this thesis. This work includes simulations of the crosstalk phenomenon using the finite element method (FEM), and the construction of a matrix type transducer (array) of 2x3 elements, in which physical measurements were made. The work includes a comparative study between simulations and measurements in the transducer, whereas the ceramic transducer are mounted on different materials (backing) where the spread of the energy emitted by the piezoelectric ceramic causes a greater or lesser degree of crosstalk depending on the speed at which this energy spreads. This research also carried out the study of the effect of the crosstalk in the radiation pattern emitted by the piezoelectric array. The radiation pattern is an important factor in the response of the transducer that is why we conducted an analysis of how this pattern is affected under the influence of the crosstalk phenomenon. As mentioned before because of the lack of an in-depth study of the crosstalk phenomenon in the lateral vibration mode, the contribution of this work is important because it focuses in this vibration mode of the piezoelectric elements in the array. In particular, an equation was developed to quantify the crosstalk phenomenon and to see its effects in the array. Deriving from this study it is possible to conclude that the crosstalk phenomenon generated by the lateral vibration mode has a significant effect on the response of the different matrix transducers considered in this work.

Debonding detection of FRP strengthened concrete beams by using impedance measurements and an ensemble PSO adaptive spectral model

An impedance-based midspan debonding identification method for RC beams strengthened with FRP strips is presented in this paper using piezoelectric ceramic (PZT) sensor?actuators. To reach this purpose, firstly, a two-dimensional electromechanical impedance model is proposed to predict the electrical admittance of the PZT transducer bonded to the FRP strips of an RC beam. Considering the impedance is measured in high frequencies, a spectral element model of the bonded-PZT?FRP strengthened beam is developed. This model, in conjunction with experimental measurements of PZT transducers, is used to present an updating methodology to quantitatively detect interfacial debonding of these kinds of structures. To improve the performance and accuracy of the detection algorithm in a challenging problem such as ours, the structural health monitoring approach is solved with an ensemble process based on particle of swarm. An adaptive mesh scheme has also been developed to increase the reliability in locating the area in which debonding initiates. Predictions carried out with experimental results have showed the effectiveness and potential of the proposed method to detect prematurely at its earliest stages a critical failure mode such as that due to midspan debonding of the FRP strip.

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.

Atlas-free Brain Tissue Segmentation Using a Single T1-weighted MRI Acquisition

Many studies investigating the aging brain or disease-induced brain alterations rely on accurate and reproducible brain tissue segmentation. Being a preliminary processing step prior to the segmentation, reliableskull-stripping the removal ofnon-brain tissue is also crucial for all later image assessment. Typically, segmentation algorithms rely on an atlas i.e. pre-segmented template data. Brain morphology, however, differs considerably depending on age, sex and race. In addition, diseased brains may deviate significantly from the atlas information typically gained from healthy volunteers. The imposed prior atlas information can thus lead to degradation of segmentation results. The recently introduced MP2RAGE sequence provides a bias-free T1 contrast with heavily reduced T2*- and PD-weighting compared to the standard MP-RAGE [1]. To this end, it acquires two image volumes at different inversion times in one acquisition, combining them to a uniform, i.e. homogenous image. In this work, we exploit the advantageous contrast properties of the MP2RAGE and combine it with a Dixon (i.e. fat-water separation) approach. The information gained by the additional fat image of the head considerably improves the skull-stripping outcome [2]. In conjunction with the pure T1 contrast of the MP2RAGE uniform image, we achieve robust skull-stripping and brain tissue segmentation without the use of an atlas

Soft solution fluorine-free synthesis of anatase nanoparticles with tailored morphology

TiO2 nanoparticles with tailored morphology have been synthesized under exceptionally soft conditions. The strategy is based on the use of a non-aqueous alcoholic reaction medium in which water traces, coming either from the air (atmospheric water) or from an ethanol–water azeotropic mixture (ethanol 96%), are incorporated in order to accelerate hydrolysis of the Ti–precursor. Moreover, organic surfactants have been used as capping agents so as to tailor crystal growth in certain preferential directions. Combinations of oleic acid and oleylamine, which lead to the formation of another surfactant, dioleamide, are employed instead of fluorine-based compounds, thus increasing the sustainability of the process. As a result, TiO2 nanostructured hierarchical microspheres and individual nanoparticles with exposed high-energy facets can be obtained at atmospheric pressure and temperatures as low as 78 °C.

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.