Field effect and light-assisted a-Si:H sensors for detection of ions in solution

In this paper we present an amorphous silicon device that can be used in two operation modes to measure the concentration of ions in solution. While crystalline devices present a higher sensitivity, their amorphous counterpart present a much lower fabrication cost, thus enabling the production of cheap disposable sensors for use, for example, in the food industry. The devices were fabricated on glass substrates by the PECVD technique in the top gate configuration, where the metallic gate is replaced by an electrolytic solution with an immersed Ag/AgCl reference electrode. Silicon nitride is used as gate dielectric enhancing the sensitivity and passivation layer used to avoid leakage and electrochemical reactions. In this article we report on the semiconductor unit, showing that the device can be operated in a light-assisted mode, where changes in the pH produce changes on the measured ac photocurrent. In alternative the device can be operated as a conventional ion selective field effect device where changes in the pH induce changes in the transistor's threshold voltage.

Substituted P-Phenylene Ethynylene trimers as fluorescent sensors for nitroaromatic explosives

New sensory materials based on p-phenylene ethynylene trimers integrating calix[4]arene receptors (CALIX-PET) and tert-butylphenol (TBP-PET) moieties have been synthesized and their sensitivity and selectivity for the detection of nitroaromatic compounds (NACs) such as nitrobenzene (NB), 2,4-dinitrotoluene (2,4-DNT), 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and picric acid (PA) investigated in fluid phase and solid-state. It was found that both fluorophores displayed high sensitivities toward NACs detection in solution as evaluated by the Stern-Volmer formalism. For all the tested explosives, the ratio of fluorescence intensities (F-0/F) is a linear function of the quencher concentration only after appropriate correction of fluorescence quenching data for inner-filter effects. The quenching efficiencies for CALIX-PET and TBP-PET follow the order PA >> TNT > DNT > NB, which correlate well with the quenchers electron affinities as evaluated from their LUMOs energies thereby suggesting a photoinduced electron transfer as the dominant mechanism of fluorescence quenching. The selectivity of these sensors was checked against exemplar interferents possessing differentiated electronic properties (benzoic acid, 2,4-dichlorophenol and benzoquinone) and reduced quenching activity was detected. The quenching efficiencies and response times of the two fluorophores in the solid-state toward NB, 2,4-DNT and TNT vapors were evaluated through steady-state fluorescence quenching experiments with the materials dispersed in polymeric matrices or as neat films. The most significant fluorescence quenching responses were achieved for drop-casted films of TBP-PET upon exposure to nitroaromatics.

Low-cost vibration sensors: tendencies and applications in condition monitoring of machines and structures

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

RFID-based wireless passive sensors utilizing cork materials

This paper presents the design of low-cost, conformal UHF antennas and RFID tags on two types of cork substrates: 1) natural cork and 2) agglomerate cork. Such RFID tags find an application in wine bottle and barrel identification, and in addition, they are suitable for numerous antenna-based sensing applications. This paper includes the high-frequency characterization of the selected cork substrates considering the anisotropic behavior of such materials. In addition, the variation of their permittivity values as a function of the humidity is also verified. As a proof-of-concept demonstration, three conformal RFID tags have been implemented on cork, and their performance has been evaluated using both a commercial Alien ALR8800 reader and an in-house measurement setup. The reading of all tags has been checked, and a satisfactory performance has been verified, with reading ranges spanning from 0.3 to 6 m. In addition, this paper discusses how inkjet printing can be applied to cork surfaces, and an RFID tag printed on cork is used as a humidity sensor. Its performance is tested under different humidity conditions, and a good range in excess of 3 m has been achieved, allied to a good sensitivity obtained with a shift of >5 dB in threshold power of the tag for different humid conditions.

Building a person home behavior model based on data from smart house sensors 2015

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Humidity passive sensors based on UHF RFID using cork dielectric slabs

In this paper we show the design of passive UHF RFID tag antenna on cork substrate. Due to the cork sensitivity to humidity changes, we can use the developed sensor to sense changes in the relative humidity of the environment, without the need for batteries. The antenna is built using inkjet printing technology, which allows a good accuracy of the design manufacturing. The sensor proved usable for humidity changes detection with a variation of threshold power from 11 to 15 dB between 60 and near 100% humidity levels. Presenting, therefore, reading ranges between 3 to 5 meters. © 2015 EurAAP.

Analisador de vibrações de dois canais baseado em computador

O presente trabalho teve como principal objectivo o desenvolvimento de um analisador de vibrações de dois canais baseado em computador, para a realização de diagnóstico no âmbito do controlo de condição de máquinas. Foi desenvolvida uma aplicação num computador comum, no software LabVIEW, que através de transdutores de aceleração do tipo MEMS conectados via USB, faz a recolha de dados de vibração e procede ao seu processamento e apresentação ao utilizador. As ferramentas utilizadas para o processamento de dados são ferramentas comuns encontradas em vários analisadores de vibrações disponíveis no mercado. Estas podem ser: gráficos de espectro de frequência, sinal no tempo, cascata ou valores de nível global de vibração, entre outras. Apesar do analisador desenvolvido não apresentar inovação nas ferramentas de análise adoptadas, este pretende ser distinguido pelo baixo custo, simplicidade e carácter didáctico. Este trabalho vem evidenciar as vantagens, desvantagens e potencialidades de um analisador desta natureza. São tiradas algumas conclusões quanto à sua capacidade de diagnóstico de avarias, capacidades como ferramenta didáctica, sensores utilizados e linguagem de programação escolhida. Como conclusões principais, o trabalho revela que os sensores escolhidos não são os indicados para efectuar o diagnóstico de avarias em ambiente industrial, contudo são ideais para tornar este analisador numa boa ferramenta didáctica e de treino.

Automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas

A crescente procura da bicicleta como meio de transporte alternativo torna relevante a criação e desenvolvimento de infra-estruturas de apoio, tais como ciclovias e parques para bicicletas. Os sistemas tradicionais de parqueamento de bicicletas com recurso a correntes e cadeados não fornecem segurança nem comodidade. No entanto, começam a surgir, em várias cidades do mundo, parque automáticos onde é possível guardar uma bicicleta em segurança, protegendo-a quer das intempéries quer de actos de vandalismo. Este trabalho apresenta uma proposta para um parque automático de armazenamento de bicicletas, com recurso a caixas individualizadas que garantem a sua segurança, e também de outros bens que podem ser guardados junto da mesma, como por exemplo um capacete ou uma mochila. O sistema proposto no âmbito deste trabalho é um complemento às alternativas existentes. As vantagens apresentadas pelo sistema proposto são: a sua construção modular e personalizada; e a possibilidade de instalação num terreno plano, sem recurso a obras de construção civil. O objectivo foi criar um projecto de automação e controlo de um protótipo, com base na proposta apresentada. O projecto de automação e controlo engloba a escolha dos sensores e dos actuadores. Para o dimensionamento dos motores foi necessário recorrer a um cálculo simplificado da estrutura do robô manipulador. Foi feita a escolha dos sensores, actuadores e do controlador com base nos requisitos funcionais. A programação foi desenvolvida numa linguagem normalizada. O modelo desenvolvido poderá servir de base para um projecto multidisciplinar entre vários departamentos do Instituto e dessa cooperação poderá surgir um novo projecto optimizado para produção e de menor custo.

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 3-phase model for VIS/NIR mu C-Si : H p-i-n detectors

The spectral response and the photocurrent delivered by entirely microcrystalline p-i-n-Si:H detectors an analysed under different applied bias and light illumination conditions. The spectral response and the internal collection depend not only on the energy range but also on the illumination side. Under [p]- and [n]-side irradiation, the internal collection characteristics have an atypical shape. It is high for applied bias and lower than the open circuit voltage, shows a steep decrease near the open circuit voltage (higher under [n]-side illumination) and levels off for higher voltages. Additionally, the numerical modeling of the VIS/NIR detector, based on the band discontinuities near the grain boundaries and interfaces, complements the study and gives insight into the internal physical process.

A non-pixel image reader for continuous image detection based on tandem heterostructures

An optically addressed read-write sensor based on two stacked p-i-n heterojunctions is analyzed. The device is a two terminal image sensing structure. The charge packets are injected optically into the p-i-n writer and confined at the illuminated regions changing locally the electrical field profile across the p-i-n reader. An optical scanner is used for charge readout. The design allows a continuous readout without the need for pixel-level patterning. The role of light pattern and scanner wavelengths on the readout parameters is analyzed. The optical-to-electrical transfer characteristics show high quantum efficiency, broad spectral response, and reciprocity between light and image signal. A numerical simulation supports the imaging process. A black and white image is acquired with a resolution around 20 mum showing the potentiality of these devices for imaging applications.

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.

Bias-dependent photocurrent collection in p-i-n a-Si : H/SiC : H heterojunction

A series of large area single layers and glass/ZnO:AVp(SixC1-x:H)/i(Si:H)/n(SixC1-x:H)/AI (0 < x < 1) heterojunction cells were produced by plasma-enhanced chemical vapour deposition (PE-CVD) at low temperature. Junction properties, carrier transport and photogeneration are investigated from dark and illuminated current-voltage (J-V) and capacitance-voltage (C-V) characteristics. For the heterojunction cells atypical J-V characteristics under different illumination conditions are observed leading to poor fill factors. High series resistances around 106 Q are also measured. These experimental results were used as a basis for the numerical simulation of the energy band diagram, and the electrical field distribution of the structures. Further comparison with the sensor performance gave satisfactory agreement. Results show that the conduction band offset is the most limiting parameter for the optimal collection of the photogenerated carriers. As the optical gap increases and the conductivity of the doped layers decreases, the transport mechanism changes from a drift to a diffusion-limited process.

Colour filtering in a-SiC : H based p-i-n-p-i-n cells: A trade-off between bias polarity and absorption regions

A large area colour imager optically addressed is presented. The colour imager consists of a thin wide band gap p-i-n a-SiC:H filtering element deposited on the top of a thick large area a-SiC:H(-p)/a-Si:H(-i)/a-SiC:H(-n) image sensor, which reveals itself an intrinsic colour filter. In order to tune the external applied voltage for full colour discrimination the photocurrent generated by a modulated red light is measured under different optical and electrical bias. Results reveal that the integrated device behaves itself as an imager and a filter giving information not only on the position where the optical image is absorbed but also on it wavelength and intensity. The amplitude and sign of the image signals are electrically tuneable. In a wide range of incident fluxes and under reverse bias, the red and blue image signals are opposite in sign and the green signal is suppressed allowing blue and red colour recognition. The green information is obtained under forward bias, where the blue signal goes down to zero and the red and green remain constant. Combining the information obtained at this two applied voltages a RGB colour image picture can be acquired without the need of the usual colour filters or pixel architecture. A numerical simulation supports the colour filter analysis.