ITO/SiOx/Si optical sensor with internal gain

A visible/near-infrared optical sensor based on an ITO/SiOx/n-Si structure with internal gain is presented. This surface-barrier structure was fabricated by a low-temperature processing technique. The interface properties and carder transport were investigated from dark current-voltage and capacitance-voltage characteristics. Examination of the multiplication properties was performed under different light excitation and reverse bias conditions. The spectral and pulse response characteristics are analysed. The current amplification mechanism is interpreted by the control of electron current by the space charge of photogenerated holes near the SiOx/Si interface. The optical sensor output characteristics and some possible device applications are presented.

Scaling of the elastic contribution to the surface free energy of a nematic liquid crystal on a sawtoothed substrate

We characterize the elastic contribution to the surface free energy of a nematic liquid crystal in the presence of a sawtooth substrate. Our findings are based on numerical minimization of the Landau-de Gennes model and analytical calculations on the Frank-Oseen theory. The nucleation of disclination lines (characterized by non-half-integer winding numbers) in the wedges and apexes of the substrate induces a leading order proportional to q ln q to the elastic contribution to the surface free-energy density, with q being the wave number associated with the substrate periodicity.

Die Surface Designer System

This paper defines Die Surface Designer (DSD) System for fast draw die in the product development feasibility phase on surfaces coming from styling. We propose a CAD integration, for better support the design process in industry, particularly on the development of new products in automotive sector. The DSD system intends to reduce the lead time by providing and integrating flexible and efficient capabilities for testing early concepts from surface analysis points of view in automotive product development.

Sistema de contagem de tráfego e classificação automática de veículos, em tempo real e sem fios

Esta tese tem por objectivo o desenho e avaliação de um sistema de contagem e classificação de veículos automóveis em tempo-real e sem fios. Pretende, também, ser uma alternativa aos actuais equipamentos, muito intrusivos nas vias rodoviárias. Esta tese inclui um estudo sobre as comunicações sem fios adequadas a uma rede de equipamentos sensores rodoviários, um estudo sobre a utilização do campo magnético como meio físico de detecção e contagem de veículos e um estudo sobre a autonomia energética dos equipamentos inseridos na via, com recurso, entre outros, à energia solar. O projecto realizado no âmbito desta tese incorpora, entre outros, a digitalização em tempo real da assinatura magnética deixada pela passagem de um veículo, no campo magnético da Terra, o respectivo envio para servidor via rádio e WAN, Wide Area Network, e o desenvolvimento de software tendo por base a pilha de protocolos ZigBee. Foram desenvolvidas aplicações para o equipamento sensor, para o coordenador, para o painel de controlo e para a biblioteca de Interface de um futuro servidor aplicacional. O software desenvolvido para o equipamento sensor incorpora ciclos de detecção e digitalização, com pausas de adormecimento de baixo consumo, e a activação das comunicações rádio durante a fase de envio, assegurando assim uma estratégia de poupança energética. Os resultados obtidos confirmam a viabilidade desta tecnologia para a detecção e contagem de veículos, assim como para a captura de assinatura usando magnetoresistências. Permitiram ainda verificar o alcance das comunicações sem fios com equipamento sensor embebido no asfalto e confirmar o modelo de cálculo da superfície do painel solar bem como o modelo de consumo energético do equipamento sensor.

Sensor de glicose polarimétrico

Esta tese tem como principal objectivo a investigação teórica e experimental do desempenho de um sensor polarimétrico baseado num cristal líquido para medição da concentração de glicose. Recentemente uma série de sensores polarimétricos baseados em cristais líquidos foram propostos na literatura e receberam considerável interesse devido as suas características únicas. De facto, em comparação com outros moduladores electro-ópticos, o cristal líquido funciona com tensões mais baixas, tem baixo consumo de energia e maior ângulo de rotação. Além disso, este tipo de polarímetro pode ter pequenas dimensões que é uma característica interessante para dispositivos portáteis e compactos. Existem por outro lado algumas desvantagens, nomeadamente o facto do desempenho do polarímetro ser fortemente dependente do tipo de cristal líquido e da tensão a ele aplicada o que coloca desafios na escolha dos parâmetros óptimos de operação. Esta tese descreve o desenvolvimento do sensor polarimétrico, incluindo a integração dos componentes de óptica e electrónica, os algoritmos de processamento de sinal e um interface gráfico que facilita a programação de diversos parâmetros de operação e a calibração do sensor. Após a optimização dos parâmetros de operação verificou-se que o dispositivo mede a concentração da glicose em amostras com uma concentração de 8 mg/ml, com uma percentagem de erro inferior a 6% e um desvio padrão de 0,008o. Os resultados foram obtidos para uma amostra com percurso óptico de apenas 1 cm.

A two terminal optical signal and image processing p-i-n/p-i-n image and colour sensor

A two terminal optically addressed image processing device based on two stacked sensing/switching p-i-n a-SiC:H diodes is presented. The charge packets are injected optically into the p-i-n sensing photodiode and confined at the illuminated regions changing locally the electrical field profile across the p-i-n switching diode. A red scanner is used for charge readout. The various design parameters and addressing architecture trade-offs are discussed. The influence on the transfer functions of an a-SiC:H sensing absorber optimized for red transmittance and blue collection or of a floating anode in between is analysed. Results show that the thin a-SiC:H sensing absorber confines the readout to the switching diode and filters the light allowing full colour detection at two appropriated voltages. When the floating anode is used the spectral response broadens, allowing B&W image recognition with improved light-to-dark sensitivity. A physical model supports the image and colour recognition process.

Enhanced short wavelength response in laser-scanned-photodiode image sensor using an a-SiC : H/a-Si : H tandem structure

We report in this paper the recent advances we obtained in optimizing a color image sensor based on the laser-scanned-photodiode (LSP) technique. A novel device structure based on a a-SiC:H/a-Si:H pin/pin tandem structure has been tested for a proper color separation process that takes advantage on the different filtering properties due to the different light penetration depth at different wavelengths a-SM and a-SiC:H. While the green and the red images give, in comparison with previous tested structures, a weak response, this structure shows a very good recognition of blue color under reverse bias, leaving a good margin for future device optimization in order to achieve a complete and satisfactory RGB image mapping. Experimental results about the spectral collection efficiency are presented and discussed from the point of view of the color sensor applications. The physics behind the device functioning is explained by recurring to a numerical simulation of the internal electrical configuration of the device.

New p-i-n Si : H imager configuration for spatial resolution improvement

Amorphous glass/ZnO-Al/p(a-Si:H)/i(a-Si:H)/n(a-Si1-xCx:H)/Al imagers with different n-layer resistivities were produced by plasma enhanced chemical vapour deposition technique (PE-CVD). An image is projected onto the sensing element and leads to spatially confined depletion regions that can be readout by scanning the photodiode with a low-power modulated laser beam. The essence of the scheme is the analog readout, and the absence of semiconductor arrays or electrode potential manipulations to transfer the information coming from the transducer. The influence of the intensity of the optical image projected onto the sensor surface is correlated with the sensor output characteristics (sensitivity, linearity blooming, resolution and signal-to-noise ratio) are analysed for different material compositions (0.5 < x < 1). The results show that the responsivity and the spatial resolution are limited by the conductivity of the doped layers. An enhancement of one order of magnitude in the image intensity signal and on the spatial resolution are achieved at 0.2 mW cm(-2) light flux by decreasing the n-layer conductivity by the same amount. A physical model supported by electrical simulation gives insight into the image-sensing technique used.

Sensor element for a metal-insulator-semiconductor camera system (MISCam)

We discuss the operation of a new type of optical sensor (MISCam) based on a metal-insulator-semiconductor (MIS) structure. The operation principle relies on light-induced changes of the band bending and barrier height at the interface between semiconductor and insulator. An image is obtained from the quenching of the ac signal in analogy to the principle of the laser-scanned photodiode (LSP). Lateral resolution depends on the semiconductor material chosen. We have characterised the MIS structures by C-V, I-V, and spectral response measurements testing different types of insulators like a-Si3N4, SiO2, and AlN. The presence of slow interface charges allows for image memory. Colour sensors can be realised by controlling sign and magnitude of the electric fields in the base and the interface region.

Comparison of deposited surface area of airborne ultrafine particles generated from two welding processes

This article describes work performed on the assessment of the levels of airborne ultrafine particles emitted in two welding processes metal-active gas (MAG) of carbon steel and friction-stir welding (FSW) of aluminium in terms of deposited area in alveolar tract of the lung using a nanoparticle surface area monitor analyser. The obtained results showed the dependence from process parameters on emitted ultrafine particles and clearly demonstrated the presence of ultrafine particles, when compared with background levels. The obtained results showed that the process that results on the lower levels of alveolar-deposited surface area is FSW, unlike MAG. Nevertheless, all the tested processes resulted in important doses of ultrafine particles that are to be deposited in the human lung of exposed workers.

Sensor óptico de glicose baseado em cristais líquidos

A presente dissertação tem como finalidade apresentar uma investigação teórica e experimental sobre um sensor polarimétrico, portátil e de baixo custo, baseado num cristal líquido para a medição da concentração de glicose existente numa amostra. Devido ao crescente número de pessoas que sofrem de Diabetes, existe grande interesse em desenvolver sensores portáteis que permitam medir a concentração de glicose de forma rápida, precisa e indolor. Dos vários métodos não invasivos existentes para a medição de concentração de glicose, o método utilizado tem como base a medição da rotação da polarização da luz. Recentemente os sensores polarimétricos baseados em cristais líquidos, têm adquirido grande ênfase devido às suas características únicas que, em comparação com outros moduladores electroópticos, funcionam com tensões mais baixas, apresentam menor consumo energético e maior ângulo de rotação. No entanto também existem diversas desvantagens, nomeadamente a falta de documentação sobre a realização de testes e resultados obtidos em sensores polarimétricos. Têm como desvantagem adicional o facto do comportamento do polarímetro ser fortemente dependente do tipo de cristal líquido e da tensão a este aplicado. A presente dissertação descreve o desenvolvimento de um sensor polarimétrico que inclui a componente óptica, a componente electrónica de detecção e acondicionamento do sinal, a comunicação sem fios com um PC, e, por fim, a componente de análise e interface com o utilizador. Neste sensor polarimétrico poderão ser efectuadas leituras de temperatura das amostras para efeitos de correcção do cálculo da concentração da glicose. O dispositivo permite ainda a gravação dos dados obtidos e identificação dos mesmos. Os resultados obtidos demonstram que o dispositivo é capaz de medir concentrações com 10mg/ml de glicose, com uma percentagem de erro de 15%, para uma amostra com um percurso óptico de apenas 1 cm.

Membrane selectivity versus sensor response in hydrogenated amorphous silicon CHEMFETs using a semi-empirical model

Toxic amides, such as acrylamide, are potentially harmful to Human health, so there is great interest in the fabrication of compact and economical devices to measure their concentration in food products and effluents. The CHEmically Modified Field Effect Transistor (CHEMFET) based onamorphous silicon technology is a candidate for this type of application due to its low fabrication cost. In this article we have used a semi-empirical modelof the device to predict its performance in a solution of interfering ions. The actual semiconductor unit of the sensor was fabricated by the PECVD technique in the top gate configuration. The CHEMFET simulation was performed based on the experimental current voltage curves of the semiconductor unit and on an empirical model of the polymeric membrane. Results presented here are useful for selection and design of CHEMFET membranes and provide an idea of the limitations of the amorphous CHEMFET device. In addition to the economical advantage, the small size of this prototype means it is appropriate for in situ operation and integration in a sensor array.

Nanofiltration of surface water for the removal of endocrine disruptors

The assessment of surface water nanofiltration (NF) for the removal of endocrine disruptors (EDs) Nonylphenol Ethoxylate (IGEPAL), 4-Nonylphenol (NP) and 4-Octylphenol (OP) was carried out with three commercial NF membranes - NF90, NF200, NF270. The permeation experiments were conducted in laboratory flat-cell units of 13.2 x 10(-4) m(2) of surface area and in a DSS Lab-unit M20 with a membrane surface area of 0.036 m2. The membranes hydraulic permeabilities ranged from 3.7 to 15.6 kg/h/m(2)/bar and the rejection coefficients to NaCl, Na2SO4 and Glucose are for NF90: 97%, 99% and 97%, respectively; for NF200: 66%, 98% and 90%, respectively and for NF270: 48%, 94% and 84%, respectively. Three sets of nanofiltration experiments were carried out: i) NF of aqueous model solutions of NP, IGEPAL and OP running in total recirculation mode; ii) NF of surface water from Rio Sado (Settibal, Portugal) running in concentration mode; iii) NF of surface water from Rio Sado inoculated with NP, IGEPAL and OP running in concentration mode. The results of model solutions experiments showed that the EDs rejection coefficients are approximately 100% for all the membranes. The results obtained for the surface water showed that the rejection coefficients to natural organic Matter (NOM) are 94%, 82% and 78% for NF90, NF200 and NF 270 membranes respectively, with and without inoculation of EDs. The rejection coefficients to EDs in surface water with and without inoculation of EDs are 100%, showing that there is a fraction of NOM of high molecular weight that retains the EDs in the concentrate and that there is a fraction of NOM of low molecular weight that permeates through the NF membranes free of EDs.

Estudo e desenvolvimento de um sensor de chuva piezoelétrico para automóveis

A presença de sistemas eletrónicos nos veículos automóveis tem vindo a aumentar de forma considerável nos últimos 30 anos, tornando possível o aumento dos padrões de eficiência, segurança e conforto dos mesmos. Os sistemas de acionamento automático dos limpa-para-brisas, baseados em sensores de chuva óticos, têm registado um crescimento quase exponencial nos últimos 10 a 15 anos; no ano 2000, apenas 5 % dos veículos novos produzidos na Europa estavam equipados com este sistema, hoje é um equipamento amplamente difundido na oferta automóvel existente. O presente trabalho consistiu no estudo de uma solução para deteção de chuva em veículos automóveis com a aplicação de um sensor piezoelétrico, tendo em vista a obtenção de uma solução mais versátil e aplicável em vários pontos do veículo. As reduzidas dimensões, a elevada sensibilidade do sensor e a facilidade de aplicação nas superfícies de ensaio foram fatores que motivaram a escolha deste tipo de equipamento como elemento sensorial. As hipóteses definidas para o procedimento laboratorial basearam-se nas conclusões obtidas em estudos anteriormente desenvolvidos no campo dos sensores de chuva para automóveis e nas capacidades dos materiais piezoelétricos para medição de pluviosidade. Os sensores foram instalados sob as superfícies do veículo que apresentavam, simultaneamente, uma maior exposição à pluviosidade, quando este está em movimento, e um menor risco de sofrer danos. Os resultados obtidos permitiram concluir que a utilização deste tipo de sensores permite detetar elevados níveis de pluviosidade e em superfícies com considerável capacidade de deformação elástica. A sua implementação futura em veículos automóveis exige mais algum trabalho de melhoria dos processos de fixação dos sensores e do condicionamento de sinal utilizados.

Integrated photonic filters based on SiC multilayer structures

Combined tunable WDM converters based on SiC multilayer photonic active filters are analyzed. The operation combines the properties of active long-pass and short-pass wavelength filter sections into a capacitive active band-pass filter. The sensor element is a multilayered heterostructure produced by PE-CVD. The configuration includes two stacked SiC p-i-n structures sandwiched between two transparent contacts. Transfer function characteristics are studied both theoretically and experimentally. Results show that optical bias activated photonic device combines the demultiplexing operation with the simultaneous photodetection and self amplification of an optical signal acting the device as an integrated photonic filter in the visible range. Depending on the wavelength of the external background and irradiation side, the device acts either as a short- or a long-pass band filter or as a band-stop filter. The output waveform presents a nonlinear amplitude-dependent response to the wavelengths of the input channels. A numerical simulation and a two building-blocks active circuit are presented and give insight into the physics of the device. (c) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.