From design-for-test to design-for-debug-and-test: analysis of requirements and limitations for 1149.1

The increasing complexity of VLSI circuits and the reduced accessibility of modern packaging and mounting technologies restrict the usefulness of conventional in-circuit debugging tools, such as in-circuit emulators for microprocessors and microcontrollers. However, this same trend enables the development of more complex products, which in turn require more powerful debugging tools. These conflicting demands could be met if the standard scan test infrastructures now common in most complex components were able to match the debugging requirements of design verification and prototype validation. This paper analyses the main debug requirements in the design of microprocessor-based applications and the feasibility of their implementation using the mandatory, optional and additional operating modes of the standard IEEE 1149.1 test infrastructure.

Using remote labs to serve different teacher's needs a case study with VISIR and RemotElectLab

Remote Laboratories are an emergent technological and pedagogical tool at all education levels, and their widespread use is an important part of their own improvement and evolution. This paper describes several issues encountered on laboratorial classes, on higher education courses, when using remote laboratories based on PXI systems, either using the VISIR system or an alternate in-house solution. Three main issues are presented and explained, all reported by teachers that gave support to students use of remote laboratories. The first issue deals with the need to allow students to select the actual place where an ammeter is to be inserted on electric circuits, even incorrectly, therefore emulating real world difficulties. The second one deals with problems with timing when several measurements are required at short intervals, as in the discharge cycle of a capacitor. And the last issue deals with the use of a multimeter in DC mode when reading AC values, a use that collides with the lab settings. All scenarios are presented and discussed including the solution found for each case. The conclusion derived from the described work is that the remote laboratories area is an expanding field, where practical use leads to improvement and evolution of the available solutions, requiring a strict cooperation and information sharing between all actors, i.e. developers, teachers and students.

Development of fractional order capacitors based on electrolyte processes

In recent years, significant research in the field of electrochemistry was developed. The performance of electrical devices, depending on the processes of the electrolytes, was described and the physical origin of each parameter was established. However, the influence of the irregularity of the electrodes was not a subject of study and only recently this problem became relevant in the viewpoint of fractional calculus. This paper describes an electrolytic process in the perspective of fractional order capacitors. In this line of thought, are developed several experiments for measuring the electrical impedance of the devices. The results are analyzed through the frequency response, revealing capacitances of fractional order that can constitute an alternative to the classical integer order elements. Fractional order electric circuits are used to model and study the performance of the electrolyte processes.

A framework for self-healing radiation-tolerant implementations on reconfigurable FPGAs

To increase the amount of logic available in SRAM-based FPGAs manufacturers are using nanometric technologies to boost logic density and reduce prices. However, nanometric scales are highly vulnerable to radiation-induced faults that affect values stored in memory cells. Since the functional definition of FPGAs relies on memory cells, they become highly prone to this type of faults. Fault tolerant implementations, based on triple modular redundancy (TMR) infrastructures, help to keep the correct operation of the circuit. However, TMR is not sufficient to guarantee the safe operation of a circuit. Other issues like the effects of multi-bit upsets (MBU) or fault accumulation, have also to be addressed. Furthermore, in case of a fault occurrence the correct operation of the affected module must be restored and the current state of the circuit coherently re-established. A solution that enables the autonomous correct restoration of the functional definition of the affected module, avoiding fault accumulation, re-establishing the correct circuit state in realtime, while keeping the normal operation of the circuit, is presented in this paper.

A framework for fault tolerant real time systems based on reconfigurable FPGAs

To increase the amount of logic available to the users in SRAM-based FPGAs, manufacturers are using nanometric technologies to boost logic density and reduce costs, making its use more attractive. However, these technological improvements also make FPGAs particularly vulnerable to configuration memory bit-flips caused by power fluctuations, strong electromagnetic fields and radiation. This issue is particularly sensitive because of the increasing amount of configuration memory cells needed to define their functionality. A short survey of the most recent publications is presented to support the options assumed during the definition of a framework for implementing circuits immune to bit-flips induction mechanisms in memory cells, based on a customized redundant infrastructure and on a detection-and-fix controller.

A modified debugging infrastructure to assist real time fault injection campaigns

Fault injection is frequently used for the verification and validation of the fault tolerant features of microprocessors. This paper proposes the modification of a common on-chip debugging (OCD) infrastructure to add fault injection capabilities and improve performance. The proposed solution imposes a very low logic overhead and provides a flexible and efficient mechanism for the execution of fault injection campaigns, being applicable to different target system architectures.

Simple laccase-based biosensor for formetanate hydrochloride quantification in fruits

This work describes the development of an electrochemical enzymatic biosensor for quantification of the pesticide formetanate hydrochloride (FMT). It is based on a gold electrode modified with electrodeposited gold nanoparticles and laccase. The principle behind its development relies on FMT's capacity to inhibit the laccase catalytic reaction that occurs in the presence of phenolic substrates. The optimum values for the relevant experimental variables such as gold nanoparticles electrochemical deposition (at − 0.2 V for 100 s), laccase immobilization (via glutaraldehyde cross-linking), laccase concentration (12.4 mg/mL), substrate selection and concentration (5.83×10−5 M of aminophenol), pH (5.0), buffer (Britton–Robinson), and square-wave voltammetric parameters were determined. The developed biosensor was successfully applied to FMT determination in mango and grapes. The attained limit of detection was 9.5×10−8 ± 9.5×10−10 M (0.02 ± 2.6×10−4 mg/kg on a fresh fruit weight basis). Recoveries for the five tested spiking levels ranged from 95.5 ± 2.9 (grapes) to 108.6 ± 2.5% (mango). The results indicated that the proposed device presents suitable characteristics in terms of sensitivity (20.58 ± 0.49 A/μM), linearity (9.43×10−7 to 1.13×10−5 M), accuracy, repeatability (RSD of 1.4%), reproducibility (RSD of 1.8%) and stability (19 days) for testing of compliance with established maximum residue limits of FMT in fruits and vegetables.

Exciting dynamical behavior in a network of two coupled rings of Chen oscillators

We study exotic patterns appearing in a network of coupled Chen oscillators. Namely, we consider a network of two rings coupled through a “buffer” cell, with Z3×Z5 symmetry group. Numerical simulations of the network reveal steady states, rotating waves in one ring and quasiperiodic behavior in the other, and chaotic states in the two rings, to name a few. The different patterns seem to arise through a sequence of Hopf bifurcations, period-doubling, and halving-period bifurcations. The network architecture seems to explain certain observed features, such as equilibria and the rotating waves, whereas the properties of the chaotic oscillator may explain others, such as the quasiperiodic and chaotic states. We use XPPAUT and MATLAB to compute numerically the relevant states.

Desenvolvimento de um Controlador de Boundary Scan (Ieee 1149.1)

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Área de Especialização em Automação e Sistemas

Desenvolvimento de Anticorpos Plásticos para um Biomarcador do Cancro

O trabalho descrito compreende o desenvolvimento de um anticorpo plástico (MIP, do inglês Molecularly Imprinted Polymer) para o antigénio carcinoembrionário (CEA, do inglês Carcinoembriogenic Antigen) e a sua aplicação na construção de dispositivos portáteis, de tamanho reduzido e de baixo custo, tendo em vista a monitorização deste biomarcador do cancro do colo-retal em contexto Point-of-Care (POC). O anticorpo plástico foi obtido por tecnologia de impressão molecular orientada, baseada em eletropolimerização sobre uma superfície condutora de vidro recoberto por FTO. De uma forma geral, o processo foi iniciado pela electropolimerização de anilina sobre o vidro, seguindo-se a ligação por adsorção do biomarcador (CEA) ao filme de polianilina, com ou sem monómeros carregados positivamente (Cloreto de vinilbenziltrimetilamónio, VB). A última fase consistiu na electropolimerização de o-fenilenodiamina (oPD) sobre a superfície, seguindo-se a remoção da proteína por clivagem de ligações peptídicas, com o auxílio de tripsina. A eficiência da impressão do biomarcador CEA no material polimérico foi controlada pela preparação de um material análogo, NIP (do inglês, Non-Imprinted Polymer), no qual nem a proteína nem o monómero VB estavam presentes. Os materiais obtidos foram caracterizados quimicamente por técnicas de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR, do inglês, Fourier Transform Infrared Spectroscopy) e microscopia confocal de Raman. Os materiais sensores preparados foram entretanto incluídos em membranas poliméricas de Poli(cloreto de vinilo) (PVC) plastificado, para construção de sensores (biomiméticos) seletivos a CEA, tendo-se avaliado a resposta analítica em diferentes meios. Obteve-se uma boa resposta potenciométrica em solução tampão de Ácido 4-(2-hidroxietil)piperazina-1-etanosulfónico (HEPES), a pH 4,4, com uma membrana seletiva baseada em MIP preparada com o monómero carregado VB. O limite de deteção foi menor do que 42 pg/mL, observando-se um comportamento linear (versus o logaritmo da concentração) até 625 pg/mL, com um declive aniónico igual a -61,9 mV/década e r2>0,9974. O comportamento analítico dos sensores biomiméticos foi ainda avaliado em urina, tendo em vista a sua aplicação na análise de CEA em urina. Neste caso, o limite de deteção foi menor do que 38 pg/mL, para uma resposta linear até 625 pg/mL, com um declive de -38,4 mV/década e r2> 0,991. De uma forma geral, a aplicação experimental dos sensores biomiméticos evidenciou respostas exatas, sugerindo que os biossensores desenvolvidos prossigam estudos adicionais tendo em vista a sua aplicação em amostras de indivíduos doentes.

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

A presente tese descreve diferentes soluções que permitem a reutilização da energia recuperada em ascensores eléctricos de roda de aderência dotados de conversores electrónicos de frequência e dessa forma contribuir para a melhoria da eficiência energética nos ascensores. Nos ascensores, a energia potencial é constantemente transferida enquanto a cabina está em movimento. Se a cabina se estiver a movimentar em sentido descendente com plena carga, ou em sentido ascendente, mas vazia, o motor estará em modo gerador. Quando a cabina se movimenta em sentido descendente, e o peso na cabina é superior ao peso do contrapeso, então o binário do motor encontra-se em sentido contrário à velocidade, isto é, o motor está a travar, havendo lugar à recuperação de energia. Igualmente, se a cabina subir vazia, também se poderá recuperar energia eléctrica. A energia acumulada em forma de energia potencial nas pessoas e no contrapeso pode ser recuperada, dado que o motor estará a funcionar como um gerador. De modo a estudar a viabilidade técnica e económica das diferentes soluções foram realizadas medições a uma amostra representativa de ascensores eléctricos de roda de aderência. Esta amostra é constituída por 39 ascensores que estão instalados em diferentes tipos de edifícios e que pertencem a diferentes categorias de utilização, de acordo com a norma VDI 4707:2009. Para cada ascensor foi medida a energia consumida e a energia gerada para uma manobra completa – a descida e a subida da cabina sem carga. A partir das medições, e com base na norma VDI 4707:2009 foram calculados os valores anualizados de energia eléctrica consumidos e produzidos por cada ascensor. A partir das 5 hipóteses identificadas para a utilização da energia recuperada (carregamento de bateria para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentar o barramento DC; reinjecção da energia no barramento DC de um conjunto de ascensores em grupo; reinjecção da energia na rede eléctrica do edifício onde o ascensor está instalado) foi realizada a avaliação técnica e a avaliação económico-financeira para cada um dos ascensores. Por último, foi desenvolvido um simulador que permite definir a solução de recuperação de energia que seja técnica e economicamente mais viável, para um dado ascensor eléctrico de roda de aderência instalado, mediante a introdução dos parâmetros técnicos do ascensor em avaliação.

Caracterização do “warpage” e sua variabilidade no processo produtivo de encapsulamento de circuitos integrados

Nos últimos anos a indústria de semicondutores, nomeadamente a produção de memórias, tem sofrido uma grande evolução. A necessidade de baixar custos de produção, assim como de produzir sistemas mais complexos e com maior capacidade, levou à criação da tecnologia WLP (Wafer Level Packaging). Esta tecnologia permite a produção de sistemas mais pequenos, simplificar o fluxo do processo e providenciar uma redução significativa do custo final do produto. A WLP é uma tecnologia de encapsulamento de circuitos integrados quando ainda fazem parte de wafers (bolachas de silício), em contraste com o método tradicional em que os sistemas são individualizados previamente antes de serem encapsulados. Com o desenvolvimento desta tecnologia, surgiu a necessidade de melhor compreender o comportamento mecânico do mold compound (MC - polímero encapsulante) mais especificamente do warpage (empeno) de wafers moldadas. O warpage é uma característica deste produto e deve-se à diferença do coeficiente de expansão térmica entre o silício e o mold compound. Este problema é observável no produto através do arqueamento das wafers moldadas. O warpage de wafers moldadas tem grande impacto na manufatura. Dependendo da quantidade e orientação do warpage, o transporte, manipulação, bem como, a processamento das wafers podem tornar-se complicados ou mesmo impossíveis, o que se traduz numa redução de volume de produção e diminuição da qualidade do produto. Esta dissertação foi desenvolvida na Nanium S.A., empresa portuguesa líder mundial na tecnologia de WLP em wafers de 300mm e aborda a utilização da metodologia Taguchi, no estudo da variabilidade do processo de debond para o produto X. A escolha do processo e produto baseou-se numa análise estatística da variação e do impacto do warpage ao longo doprocesso produtivo. A metodologia Taguchi é uma metodologia de controlo de qualidade e permite uma aproximação sistemática num dado processo, combinando gráficos de controlo, controlo do processo/produto, e desenho do processo para alcançar um processo robusto. Os resultados deste método e a sua correta implementação permitem obter poupanças significativas nos processos com um impacto financeiro significativo. A realização deste projeto permitiu estudar e quantificar o warpage ao longo da linha de produção e minorar o impacto desta característica no processo de debond. Este projecto permitiu ainda a discussão e o alinhamento entre as diferentes áreas de produção no que toca ao controlo e a melhoria de processos. Conseguiu–se demonstrar que o método Taguchi é um método eficiente no que toca ao estudo da variabilidade de um processo e otimização de parâmetros. A sua aplicação ao processo de debond permitiu melhorar ou a fiabilidade do processo em termos de garantia da qualidade do produto, como ao nível do aumento de produção.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Utilização da Nanotecnologia para o desenvolvimento sustentável na indústria agro-alimentar

O crescimento populacional esperado para os próximos anos conduzirá à necessidade de aumentar a produção agrícola de modo a satisfazer o aumento da procura. Nos últimos anos tem-se assistido a uma evolução tecnológica nos sistemas de produção que tem permitido aumentar a produtividade agrícola, por vezes à custa de elevados consumos de energia e com práticas nem sempre ambientalmente corretas. Os desafios que se colocam atualmente são no sentido de melhorar a conservação de recursos escassos, como o solo e a água, de aumentar a eficiência de uso de fatores de produção, de encontrar novas culturas, do desenvolvimento da biotecnologia, da diminuição dos consumos energéticos e de melhorar ainda mais as tecnologias associadas à produção. De maneira a responder aos desafios emergentes da procura por alimentos, da escassez de terrenos agrícolas aráveis bem como da existência de pragas de insetos e de ervas daninhas, os pesticidas tem vindo a ser usados com maior frequência, tendo-se assistido a uma contaminação dos solos e águas subterrâneas, causando deste modo um risco para a saúde dos seres vivos. Neste sentido, vários fabricantes de pesticidas estão a desenvolver novas formulações contendo pesticidas encapsulados em nanopartículas como modo de aumentar a sua solubilidade em água, biodisponibilidade, volatilidade, estabilidade e eficácia. tendo por objetivo um desenvolvimento sustentável. Neste trabalho, procedeu-se ao estudo do encapsulamento do herbicida Oxadiargil (5-terc-butil-3-[2,4-dicloro-5-(2-propiniloxi)fenil]-1,3,4-oxadiazol-2(3H)-ona) com a 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina (HP-β-CD). O estudo da formação do complexo de inclusão Oxadiargil - HP-β-CD foi realizado em diferentes meios, água desionizada, tampão acetato pH = 3,46 e pH = 5,34 e tampão fosfato pH = 7,45, com o objetivo de determinar e comparar a sua constante de estabilidade. Verificou-se, em qualquer dos casos, a ocorrência de uma relação linear entre o aumento da solubilidade do Oxadiargil e o aumento da concentração de HP-β-CD, com um declive inferior a um, o que indicia a formação de um complexo na proporção estequiométrica de 1:1. Os resultados obtidos permitiram concluir que o processo de complexação Oxadiargil - HP-β-CD não é muito influenciado pela constituição e pelo pH do meio. De facto, as constantes de estabilidade obtidas para a água desionizada e soluções-tampão pH = 3,46, pH = 5,34 e pH = 7,45 foram de 919 ± 25, 685 ± 13, 623 ± 17 e 753 ± 9, respetivamente. A solubilidade do complexo obtido nos estudos realizados, em diferentes meios, é cerca de 23 a 32 vezes superior à observada para o Oxadiargil livre. De forma a caracterizar o complexo Oxadiargil - HP-β-CD procedeu-se à sua síntese utilizando o método de “kneading”. O composto obtido foi caracterizado por Ressonância Magnética Nuclear (RMN) tendo-se confirmado a formação de um complexo de inclusão na proporção estequiométrica de 1:1. O complexo obtido é mais solúvel e porventura mais estável quimicamente. O encapsulamento permite uma redução da aplicação dos pesticidas diminuindo assim os custos e o impacto negativo no ambiente. Com a nanotecnologia é possível a libertação controlada dos pesticidas, aumentando a sua eficácia e fornecendo os meios necessários para um desenvolvimento sustentável.

Graphene-based biomimetic materials targeting urine metabolite as potential cancer biomarker: Application over different conductive materials for potentiometric transduction

This work presents a novel surface Smart Polymer Antibody Material (SPAM) for Carnitine (CRT, a potential biomarker of ovarian cancer), tested for the first time as ionophore in potentiometric electrodes of unconventional configuration. The SPAM material consisted of a 3D polymeric network created by surface imprinting on graphene layers. The polymer was obtained by radical polymerization of (vinylbenzyl) trimethylammonium chloride and 4-styrenesulfonic acid (signaling the binding sites), and vinyl pivalate and ethylene glycol dimethacrylate (surroundings). Non-imprinted material (NIM) was prepared as control, by excluding the template from the procedure. These materials were then used to produce several plasticized PVC membranes, testing the relevance of including the SPAM as ionophore, and the need for a charged lipophilic additive. The membranes were casted over solid conductive supports of graphite or ITO/FTO. The effect of pH upon the potentiometric response was evaluated for different pHs (2-9) with different buffer compositions. Overall, the best performance was achieved for membranes with SPAM ionophore, having a cationic lipophilic additive and tested in HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) buffer, pH 5.1. Better slopes were achieved when the membrane was casted on conductive glass (-57.4 mV/decade), while the best detection limits were obtained for graphite-based conductive supports (3.6 × 10−5mol/L). Good selectivity was observed against BSA, ascorbic acid, glucose, creatinine and urea, tested for concentrations up to their normal physiologic levels in urine. The application of the devices to the analysis of spiked samples showed recoveries ranging from 91% (± 6.8%) to 118% (± 11.2%). Overall, the combination of the SPAM sensory material with a suitable selective membrane composition and electrode design has lead to a promising tool for point-of-care applications.