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.

A Wireless Charging System Applying Phase-Shift and Amplitude Control to Maximize Efficiency and Extractable Power

Wireless power transfer (WPT) is an emerging technology with an increasing number of potential applications to transfer power from a transmitter to a mobile receiver over a relatively large air gap. However, its widespread application is hampered due to the relatively low efficiency of current Wireless power transfer (WPT) systems. This study presents a concept to maximize the efficiency as well as to increase the amount of extractable power of a WPT system operating in nonresonant operation. The proposed method is based on actively modifying the equivalent secondary-side load impedance by controlling the phase-shift of the active rectifier and its output voltage level. The presented hardware prototype represents a complete wireless charging system, including a dc-dc converter which is used to charge a battery at the output of the system. Experimental results are shown for the proposed concept in comparison to a conventional synchronous rectification approach. The presented optimization method clearly outperforms state-of-the-art solutions in terms of efficiency and extractable power.

Air pollution data classification by SOM Neural Network

Over the last ten years, Salamanca has been considered among the most polluted cities in México. This paper presents a Self-Organizing Maps (SOM) Neural Network application to classify pollution data and automatize the air pollution level determination for Sulphur Dioxide (SO2) in Salamanca. Meteorological parameters are well known to be important factors contributing to air quality estimation and prediction. In order to observe the behavior and clarify the influence of wind parameters on the SO2 concentrations a SOM Neural Network have been implemented along a year. The main advantages of the SOM is that it allows to integrate data from different sensors and provide readily interpretation results. Especially, it is powerful mapping and classification tool, which others information in an easier way and facilitates the task of establishing an order of priority between the distinguished groups of concentrations depending on their need for further research or remediation actions in subsequent management steps. The results show a significative correlation between pollutant concentrations and some environmental variables.

Sustainable Air Traffic Management System Development Methodology

As it is defined in ATM 2000+ Strategy (Eurocontrol 2001), the mission of the Air Traffic Management (ATM) System is: “For all the phases of a flight, the ATM system should facilitate a safe, efficient, and expedite traffic flow, through the provision of adaptable ATM services that can be dimensioned in relation to the requirements of all the users and areas of the European air space. The ATM services should comply with the demand, be compatible, operate under uniform principles, respect the environment and satisfy the national security requirements.” The objective of this paper is to present a methodology designed to evaluate the status of the ATM system in terms of the relationship between the offered capacity and traffic demand, identifying weakness areas and proposing solutions. The first part of the methodology relates to the characterization and evaluation of the current system, while a second part proposes an approach to analyze the possible development limit. As part of the work, general criteria are established to define the framework in which the analysis and diagnostic methodology presented is placed. They are: the use of Air Traffic Control (ATC) sectors as analysis unit, the presence of network effects, the tactical focus, the relative character of the analysis, objectivity and a high level assessment that allows assumptions on the human and Communications, Navigation and Surveillance (CNS) elements, considered as the typical high density air traffic resources. The steps followed by the methodology start with the definition of indicators and metrics, like the nominal criticality or the nominal efficiency of a sector; scenario characterization where the necessary data is collected; network effects analysis to study the relations among the constitutive elements of the ATC system; diagnostic by means of the “System Status Diagram”; analytical study of the ATC system development limit; and finally, formulation of conclusions and proposal for improvement. This methodology was employed by Aena (Spanish Airports Manager and Air Navigation Service Provider) and INECO (Spanish Transport Engineering Company) in the analysis of the Spanish ATM System in the frame of the Spanish airspace capacity sustainability program, although it could be applied elsewhere.

Air Traffic Management - Historic background and present situation

Ponencia invitada sobre gestion de trafico aereo en el curso de verano de la UPM Research in Decision Support Systems for future Air Traffic Management

A model of air transport passenger incidents and rights

This paper describes a representation of the legal framework in the air transport passenger's rights domain and the foremost incidents that trigger the top of consumer complaints ranking in the EU. It comprises the development of a small network of three ontologies, formalisation of scenarios, specification of properties and identification of relations. The approach is illustrated by means of a case study based in the context of a real life cancelled flight incident. This is part of an intended support-system that aims to provide both consumers and companies with relevant legal information to enhance the decision-making process.

Study of OLSR protocol with Network Simulator 2 over Linux

Until a few years ago, most of the network communications were based in the wire as the physical media, but due to the advances and the maturity of the wireless communications, this is changing. Nowadays wireless communications offers fast, secure, efficient and reliable connections. Mobile communications are in expansion, clearly driven by the use of smart phones and other mobile devices, the use of laptops, etc… Besides that point, the inversion in the installation and maintenance of the physical medium is much lower than in wired communications, not only because the air has no cost, but because the installation and maintenance of the wire require a high economic cost. Besides the economic cost we find that wire is a more vulnerable medium to external threats such as noise, sabotages, etc… There are two different types of wireless networks: those which the structure is part of the network itself and those which have a lack of structure or any centralization, in a way that the devices that form part of the network can connect themselves in a dynamic and random way, handling also the routing of every control and information messages, this kind of networks is known as Ad-hoc. In the present work we will proceed to study one of the multiple wireless protocols that allows mobile communications, it is Optimized Link State Routing, from now on, OLSR, it is an pro-active routing, standard mechanism that works in a distributed in order to stablish the connections among the different nodes that belong to a wireless network. Thanks to this protocol it is possible to get all the routing tables in all the devices correctly updated every moment through the periodical transmission of control messages and on this way allow a complete connectivity among the devices that are part of the network and also, allow access to other external networks such as virtual private networks o Internet. This protocol could be perfectly used in environments such as airports, malls, etc… The update of the routing tables in all the devices is got thanks to the periodical transmission of control messages and finally it will offer connectivity among all the devices and the corresponding external networks. For the study of OLSR protocol we will have the help of the network simulator “Network Simulator 2”, a freeware network simulator programmed in C++ based in discrete events. This simulator is used mainly in educational and research environments and allows a very extensive range of protocols, both, wired networks protocols and wireless network protocols, what is going to be really useful to proceed to the simulation of different configurations of networks and protocols. In the present work we will also study different simulations with Network Simulator 2, in different scenarios with different configurations, wired networks, and Ad-hoc networks, where we will study OLSR Protocol. RESUMEN. Hasta hace pocos años, la mayoría de las comunicaciones de red estaban basadas en el cable como medio físico pero debido al avance y madurez alcanzados en el campo de las comunicaciones inalámbricas esto está cambiando. Hoy día las comunicaciones inalámbricas nos ofrecen conexiones veloces, seguras, eficientes y fiables. Las comunicaciones móviles se encuentran en su momento de máxima expansión, claramente impulsadas por el uso de teléfonos y demás dispositivos móviles, el uso de portátiles, etc… Además la inversión a realizar en la instalación y el mantenimiento del medio físico en las comunicaciones móviles es muchísimo menor que en comunicaciones por cable, ya no sólo porque el aire no tenga coste alguno, sino porque la instalación y mantenimiento del cable precisan de un elevado coste económico por norma. Además del coste económico nos encontramos con que es un medio más vulnerable a amenazas externas tales como el ruido, escuchas no autorizadas, sabotajes, etc… Existen dos tipos de redes inalámbricas: las constituidas por una infraestructura que forma parte más o menos de la misma y las que carecen de estructura o centralización alguna, de modo que los dispositivos que forman parte de ella pueden conectarse de manera dinámica y arbitraria entre ellos, encargándose además del encaminamiento de todos los mensajes de control e información, a este tipo de redes se las conoce como redes Ad-hoc. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se procederá al estudio de uno de los múltiples protocolos inalámbricos que permiten comunicaciones móviles, se trata del protocolo inalámbrico Optimized Link State Routing, de ahora en adelante OLSR, un mecanismo estándar de enrutamiento pro-activo, que trabaja de manera distribuida para establecer las conexiones entre los nodos que formen parte de las redes inalámbricas Ad-hoc, las cuales carecen de un nodo central y de una infraestructura pre-existente. Gracias a este protocolo es posible conseguir que todos los equipos mantengan en todo momento las tablas de ruta actualizadas correctamente mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así permitir una completa conectividad entre todos los equipos que formen parte de la red y, a su vez, también permitir el acceso a otras redes externas tales como redes privadas virtuales o Internet. Este protocolo sería usado en entornos tales como aeropuertos La actualización de las tablas de enrutamiento de todos los equipos se conseguirá mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así finalmente se podrá permitir conectividad entre todos los equipos y con las correspondientes redes externas. Para el estudio del protocolo OLSR contaremos con el simulador de redes Network Simulator 2, un simulador de redes freeware programado en C++ basado en eventos discretos. Este simulador es usado principalmente en ambientes educativos y de investigación y permite la simulación tanto de protocolos unicast como multicast. El campo donde más se utiliza es precisamente en el de la investigación de redes móviles Ad-hoc. El simulador Network Simulator 2 no sólo implementa el protocolo OLSR, sino que éste implementa una amplia gama de protocolos, tanto de redes cableadas como de redes inalámbricas, lo cual va a sernos de gran utilidad para proceder a la simulación de distintas configuraciones de redes y protocolos. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se estudiarán también diversas simulaciones con el simulador NS2 en diferentes escenarios con diversas configuraciones; redes cableadas, redes inalámbricas Ad-hoc, donde se estudiará el protocolo antes mencionado: OLSR. Este Proyecto de Fin de Carrera consta de cuatro apartados distintos: Primeramente se realizará el estudio completo del protocolo OLSR, se verán los beneficios y contrapartidas que ofrece este protocolo inalámbrico. También se verán los distintos tipos de mensajes existentes en este protocolo y unos pequeños ejemplos del funcionamiento del protocolo OLSR. Seguidamente se hará una pequeña introducción al simulador de redes Network Simulator 2, veremos la historia de este simulador, y también se hará referencia a la herramienta extra NAM, la cual nos permitirá visualizar el intercambio de paquetes que se produce entre los diferentes dispositivos de nuestras simulaciones de forma intuitiva y amigable. Se hará mención a la plataforma MASIMUM, encargada de facilitar en un entorno académico software y documentación a sus alumnos con el fin de facilitarles la investigación y la simulación de redes y sensores Ad-hoc. Finalmente se verán dos ejemplos, uno en el que se realizará una simulación entre dos PCs en un entorno Ethernet y otro ejemplo en el que se realizará una simulación inalámbrica entre cinco dispositivos móviles mediante el protocolo a estudiar, OLSR.