Construção de um robô trepador com locomoção através de rodas e adesão através de meios magnéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Controlo por computador de um sistema de levitação magnética

Ao longo deste projecto são efectuados vários passos para a realização de um sistema de levitação magnética controlado por computador. O objectivo deste projecto é a levitação de um objecto de material ferromagnético. Para a sua realização foi essencialmente necessário um electroíman, que exerce a força electromagnética sobre a bola, um circuito de potência para accionar o electroíman, um circuito sensor constituído por um LDR e por fim, o circuito constituído pelo PIC 18F4550. Para a comunicação entre o sistema e o PC foi estabelecida a comunicação série RS232. No que concerne ao controlo do sistema, foi aplicado um controlador PD e um controlador em avanço, ambos projectados directamente no domínio digital, através do método do Lugar de raízes. Posteriormente foi desenvolvida uma interface gráfica em ambiente MATLAB, para comunicação, via RS232, entre o PC e o sistema.

Sistema de teste de transístores bipolares de junção e de efeito de campo

O estudo das curvas características de um transístor permite conhecer um conjunto de parâmetros essenciais à sua utilização tanto no domínio da amplificação de sinais como em circuitos de comutação. Deste estudo é possível obter dados em condições que muitas vezes não constam na documentação fornecida pelos fabricantes. O trabalho que aqui se apresenta consiste no desenvolvimento de um sistema que permite de forma simples, eficiente e económica obter as curvas características de um transístor (bipolar de junção, efeito de campo de junção e efeito de campo de metal-óxido semicondutor), podendo ainda ser utilizado como instrumento pedagógico na introdução ao estudo dos dispositivos semicondutores ou no projecto de amplificadores transistorizados. O sistema é constituído por uma unidade de condicionamento de sinal, uma unidade de processamento de dados (hardware) e por um programa informático que permite o processamento gráfico dos dados obtidos, isto é, traçar as curvas características do transístor. O seu princípio de funcionamento consiste na utilização de um conversor Digital-Analógico (DAC) como fonte de tensão variável, alimentando a base (TBJ) ou a porta (JFET e MOSFET) do dispositivo a testar. Um segundo conversor fornece a variação da tensão VCE ou VDS necessária à obtenção de cada uma das curvas. O controlo do processo é garantido por uma unidade de processamento local, baseada num microcontrolador da família 8051, responsável pela leitura dos valores em corrente e em tensão recorrendo a conversores Analógico-Digital (ADC). Depois de processados, os dados são transmitidos através de uma ligação USB para um computador no qual um programa procede à representação gráfica, das curvas características de saída e à determinação de outros parâmetros característicos do dispositivo semicondutor em teste. A utilização de componentes convencionais e a simplicidade construtiva do projecto tornam este sistema económico, de fácil utilização e flexível, pois permite com pequenas alterações

Precursors’ order effect on the properties of sulfurized Cu2ZnSnS4 thin films

A dc magnetron sputtering-based method to grow high-quality Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films, to be used as an absorber layer in solar cells, is being developed. This method combines dc sputtering of metallic precursors with sulfurization in S vapour and with post-growth KCN treatment for removal of possible undesired Cu2−xS phases. In this work, we report the results of a study of the effects of changing the precursors’ deposition order on the final CZTS films’ morphological and structural properties. The effect of KCN treatment on the optical properties was also analysed through diffuse reflectance measurements. Morphological, compositional and structural analyses of the various stages of the growth have been performed using stylus profilometry, SEM/EDS analysis, XRD and Raman Spectroscopy. Diffuse reflectance studies have been done in order to estimate the band gap energy of the CZTS films. We tested two different deposition orders for the copper precursor, namely Mo/Zn/Cu/Sn and Mo/Zn/Sn/Cu. The stylus profilometry analysis shows high average surface roughness in the ranges 300–550 nm and 230–250 nm before and after KCN treatment, respectively. All XRD spectra show preferential growth orientation along (1 1 2) at 28.45◦. Raman spectroscopy shows main peaks at 338 cm−1 and 287 cm−1 which are attributed to Cu2ZnSnS4. These measurements also confirm the effectiveness of KCN treatment in removing Cu2−xS phases. From the analysis of the diffuse reflectance measurements the band gap energy for both precursors’ sequences is estimated to be close to 1.43 eV. The KCN-treated films show a better defined absorption edge; however, the band gap values are not significantly affected. Hot point probe measurements confirmed that CZTS had p-type semiconductor behaviour and C–V analysis was used to estimate the majority carrier density giving a value of 3.3 × 1018 cm−3.

A study of ternary Cu2SnS3 and Cu3SnS4 thin films prepared by sulfurizing stacked metal precursors

Thin films of Cu2SnS3 and Cu3SnS4 were grown by sulfurization of dc magnetron sputtered Sn–Cu metallic precursors in a S2 atmosphere. Different maximum sulfurization temperatures were tested which allowed the study of the Cu2SnS3 phase changes. For a temperature of 350 ◦C the films were composed of tetragonal (I -42m) Cu2SnS3. The films sulfurized at a maximum temperature of 400 ◦C presented a cubic (F-43m) Cu2SnS3 phase. On increasing the temperature up to 520 ◦C, the Sn content of the layer decreased and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4 was formed. The phase identification and structural analysis were performed using x-ray diffraction (XRD) and electron backscattered diffraction (EBSD) analysis. Raman scattering analysis was also performed and a comparison with XRD and EBSD data allowed the assignment of peaks at 336 and 351 cm−1 for tetragonal Cu2SnS3, 303 and 355 cm−1 for cubic Cu2SnS3, and 318, 348 and 295 cm−1 for the Cu3SnS4 phase. Compositional analysis was done using energy dispersive spectroscopy and induced coupled plasma analysis. Scanning electron microscopy was used to study the morphology of the layers. Transmittance and reflectance measurements permitted the estimation of absorbance and band gap. These ternary compounds present a high absorbance value close to 104 cm−1. The estimated band gap energy was 1.35 eV for tetragonal (I -42m) Cu2SnS3, 0.96 eV for cubic (F-43m) Cu2SnS3 and 1.60 eV for orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. A hot point probe was used for the determination of semiconductor conductivity type. The results show that all the samples are p-type semiconductors. A four-point probe was used to obtain the resistivity of these samples. The resistivities for tetragonal Cu2SnS3, cubic Cu2SnS3 and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4 are 4.59 × 10−2 cm, 1.26 × 10−2 cm, 7.40 × 10−4 cm, respectively.

Influence of selenization pressure on the growth of Cu2ZnSnSe4 films from stacked metallic layers

Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) is a p-type semiconductor with a high absorption coefficient, 104 to 105 cm-1, and is being seen as a possible replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. Yet, there are some fundamental properties of CZTSe that are not well known, one of them is its band gap. In order to resolve its correct value it is necessary to improve the growth conditions to ensure that single phase crystalline thin films are obtained. One of the problems encountered when growing CZTSe is the loss of Sn through evaporation of SnSe. Stoichiometric films are then difficult to obtain and usually there are other phases present. One possible way to overcome this problem is to increase the pressure of growth of CZTSe. This can be done by introducing an atmosphere of an inert gas like Ar or N2. In this work we report the results of morphological, structural and optical studies of the properties of CZTSe thin films grown by selenization of DC magnetron sputtered metallic layers under different Ar pressures. The films are analysed by SEM/EDS, Raman scattering and XRD.

Study of optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films

Cu2ZnSnS4 is a promising semiconductor to be used as absorber in thin film solar cells. In this work, we investigated optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films grown by sulphurization of metallic precursors deposited on soda lime glass substrates. The crystalline phases were studied by X-ray diffraction measurements showing the presence of only the Cu2ZnSnS4 phase. The studied films were copper poor and zinc rich as shown by inductively coupled plasma mass spectroscopy. Scanning electron microscopy revealed a good crystallinity and compactness. An absorption coefficient varying between 3 and 4×104cm−1 was measured in the energy range between 1.75 and 3.5 eV. The band gap energy was estimated in 1.51 eV. Photoluminescence spectroscopy showed an asymmetric broad band emission. The dependence of this emission on the excitation power and temperature was investigated and compared to the predictions of the donor-acceptor-type transitions and radiative recombinations in the model of potential fluctuations. Experimental evidence was found to ascribe the observed emission to radiative transitions involving tail states created by potential fluctuations.

Study of polycrystalline Cu2ZnSnS4 films by Raman scattering

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is a p-type semiconductor that has been seen as a possible low-cost replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. So far compound has presented difficulties in its growth, mainly, because of the formation of secondary phases like ZnS, CuxSnSx+1, SnxSy, Cu2−xS and MoS2. X-ray diffraction analysis (XRD), which is mostly used for phase identification cannot resolve some of these phases from the kesterite/stannite CZTS and thus the use of a complementary technique is needed. Raman scattering analysis can help distinguishing these phases not only laterally but also in depth. Knowing the absorption coefficient and using different excitation wavelengths in Raman scattering analysis, one is capable of profiling the different phases present in multi-phase CZTS thin films. This work describes in a concise form the methods used to grow chalcogenide compounds, such as, CZTS, CuxSnSx+1, SnxSy and cubic ZnS based on the sulphurization of stacked metallic precursors. The results of the films’ characterization by XRD, electron backscatter diffraction and scanning electron microscopy/energy dispersive spectroscopy techniques are presented for the CZTS phase. The limitation of XRD to identify some of the possible phases that can remain after the sulphurization process are investigated. The results of the Raman analysis of the phases formed in this growth method and the advantage of using this technique in identifying them are presented. Using different excitation wavelengths it is also analysed the CZTS film in depth showing that this technique can be used as non destructive methods to detect secondary phases.

A survey of technologies and applications for climbing robots locomotion and adhesion

The interest in the development of climbing robots has grown rapidly in the last years. Climbing robots are useful devices that can be adopted in a variety of applications, such as maintenance and inspection in the process and construction industries. These systems are mainly adopted in places where direct access by a human operator is very expensive, because of the need for scaffolding, or very dangerous, due to the presence of an hostile environment. The main motivations are to increase the operation efficiency, by eliminating the costly assembly of scaffolding, or to protect human health and safety in hazardous tasks. Several climbing robots have already been developed, and other are under development, for applications ranging from cleaning to inspection of difficult to reach constructions. A wall climbing robot should not only be light, but also have large payload, so that it may reduce excessive adhesion forces and carry instrumentations during navigation. These machines should be capable of travelling over different types of surfaces, with different inclinations, such as floors, walls, or ceilings, and to walk between such surfaces (Elliot et al. (2006); Sattar et al. (2002)). Furthermore, they should be able of adapting and reconfiguring for various environment conditions and to be self-contained. Up to now, considerable research was devoted to these machines and various types of experimental models were already proposed (according to Chen et al. (2006), over 200 prototypes aimed at such applications had been developed in the world by the year 2006). However, we have to notice that the application of climbing robots is still limited. Apart from a couple successful industrialized products, most are only prototypes and few of them can be found in common use due to unsatisfactory performance in on-site tests (regarding aspects such as their speed, cost and reliability). Chen et al. (2006) present the main design problems affecting the system performance of climbing robots and also suggest solutions to these problems. The major two issues in the design of wall climbing robots are their locomotion and adhesion methods. With respect to the locomotion type, four types are often considered: the crawler, the wheeled, the legged and the propulsion robots. Although the crawler type is able to move relatively faster, it is not adequate to be applied in rough environments. On the other hand, the legged type easily copes with obstacles found in the environment, whereas generally its speed is lower and requires complex control systems. Regarding the adhesion to the surface, the robots should be able to produce a secure gripping force using a light-weight mechanism. The adhesion method is generally classified into four groups: suction force, magnetic, gripping to the surface and thrust force type. Nevertheless, recently new methods for assuring the adhesion, based in biological findings, were proposed. The vacuum type principle is light and easy to control though it presents the problem of supplying compressed air. An alternative, with costs in terms of weight, is the adoption of a vacuum pump. The magnetic type principle implies heavy actuators and is used only for ferromagnetic surfaces. The thrust force type robots make use of the forces developed by thrusters to adhere to the surfaces, but are used in very restricted and specific applications. Bearing these facts in mind, this chapter presents a survey of different applications and technologies adopted for the implementation of climbing robots locomotion and adhesion to surfaces, focusing on the new technologies that are recently being developed to fulfill these objectives. The chapter is organized as follows. Section two presents several applications of climbing robots. Sections three and four present the main locomotion principles, and the main "conventional" technologies for adhering to surfaces, respectively. Section five describes recent biological inspired technologies for robot adhesion to surfaces. Section six introduces several new architectures for climbing robots. Finally, section seven outlines the main conclusions.

Otimização de consumo energético de equipamento de grande potência

Um dos princípios da Gestão é: “If you cannot measure it, you cannot improve it.” In The Economist – 26.Dez.2008, idea of 19th century English physicist Lord Kelvin. Embora seja uma afirmação aplicável à gestão económica, também pode ser utilizada no domínio da gestão da energia. Este trabalho surge da necessidade sentida pela empresa Continental - Industria Têxtil do Ave, S.A. em efetuar uma atualização dos seus standards de produção, minimizando os seus consumos de eletricidade e gás natural. Foi necessário efetuar o levantamento dos consumos em diversas máquinas e equipamentos industriais, caracterizando e analisando os consumos ao longo de todo o processo produtivo. Para o tratamento de dados recolhidos foi desenvolvida uma folha de cálculo em MS Office ExcelTM com metodologia adequada ao equipamento em análise, que dará apoio ao decisor para a identificação dos aspetos que melhorem o processo produtivo e garantam uma elevada eficiência energética. Porém, não se enquadra no âmbito do Plano Nacional de Racionalização de Energia, sendo uma “auditoria energética” ao processo produtivo. Recentemente, a empresa, tem vindo a utilizar equipamentos eletrónicos que permitem otimizar o funcionamento mecânico dos equipamentos e das potências instaladas dos transformadores, na tentativa de racionalizar o consumo da energia elétrica. Outros equipamentos como, conversores de frequência para controlo de motores, balastros eletrónicos que substituem os convencionais balastros ferromagnéticos das lâmpadas de descarga fluorescente, têm sido incluídos ao nível das instalações elétricas, sendo gradualmente substituída a eletromecânica pela eletrónica. Este tipo de soluções vem deteriorar as formas de onda da corrente e da tensão do sistema pela introdução de distorções harmónicas. Faz ainda parte deste trabalho, um estudo de uma solução que melhore, simultaneamente o fator de potência e reduza as harmónicas presentes num posto de transformação localizado no seio da fábrica. Esta solução, permite melhorar a qualidade da energia elétrica e as condições de continuidade de serviço, garantindo melhores condições de exploração e incrementando a produtividade da empresa.

Análise de desempenho de algoritmos de otimização para extração de parâmetros em modelos semicondutores de potência

Apresenta-se nesta tese uma revisão da literatura sobre a modelação de semicondutores de potência baseada na física e posterior análise de desempenho de dois métodos estocásticos, Particle Swarm Optimizaton (PSO) e Simulated Annealing (SA), quando utilizado para identificação eficiente de parâmetros de modelos de dispositivos semicondutores de potência, baseado na física. O conhecimento dos valores destes parâmetros, para cada dispositivo, é fundamental para uma simulação precisa do comportamento dinâmico do semicondutor. Os parâmetros são extraídos passo-a-passo durante simulação transiente e desempenham um papel relevante. Uma outra abordagem interessante nesta tese relaciona-se com o facto de que nos últimos anos, os métodos de modelação para dispositivos de potência têm emergido, com alta precisão e baixo tempo de execução baseado na Equação de Difusão Ambipolar (EDA) para díodos de potência e implementação no MATLAB numa estratégia de optimização formal. A equação da EDA é resolvida numericamente sob várias condições de injeções e o modelo é desenvolvido e implementado como um subcircuito no simulador IsSpice. Larguras de camada de depleção, área total do dispositivo, nível de dopagem, entre outras, são alguns dos parâmetros extraídos do modelo. Extração de parâmetros é uma parte importante de desenvolvimento de modelo. O objectivo de extração de parâmetros e otimização é determinar tais valores de parâmetros de modelo de dispositivo que minimiza as diferenças entre um conjunto de características medidas e resultados obtidos pela simulação de modelo de dispositivo. Este processo de minimização é frequentemente chamado de ajuste de características de modelos para dados de medição. O algoritmo implementado, PSO é uma técnica de heurística de otimização promissora, eficiente e recentemente proposta por Kennedy e Eberhart, baseado no comportamento social. As técnicas propostas são encontradas para serem robustas e capazes de alcançar uma solução que é caracterizada para ser precisa e global. Comparada com algoritmo SA já realizada, o desempenho da técnica proposta tem sido testado utilizando dados experimentais para extrair parâmetros de dispositivos reais das características I-V medidas. Para validar o modelo, comparação entre resultados de modelo desenvolvido com um outro modelo já desenvolvido são apresentados.

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.

Intra-Task Device Scheduling for Real-Time Embedded Systems

An ever increasing need for extra functionality in a single embedded system demands for extra Input/Output (I/O) devices, which are usually connected externally and are expensive in terms of energy consumption. To reduce their energy consumption, these devices are equipped with power saving mechanisms. While I/O device scheduling for real-time (RT) systems with such power saving features has been studied in the past, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. Technology enhancements in the semiconductor industry have allowed the hardware vendors to reduce the device transition and energy overheads. The decrease in overhead of sleep transitions has opened new opportunities to further reduce the device energy consumption. In this research effort, we propose an intra-task device scheduling algorithm for real-time systems that wakes up a device on demand and reduces its active time while ensuring system schedulability. This intra-task device scheduling algorithm is extended for devices with multiple sleep states to further minimise the overall device energy consumption of the system. The proposed algorithms have less complexity when compared to the conservative inter-task device scheduling algorithms. The system model used relaxes some of the assumptions commonly made in the state-of-the-art that restrict their practical relevance. Apart from the aforementioned advantages, the proposed algorithms are shown to demonstrate the substantial energy savings.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

As the prostate cancer (PCa) progresses, sarcosine levels increase both in tumor cells and urine samples, suggesting that this metabolite measurements can help in the creation of non-invasive diagnostic methods for this disease. In this work, a biosensor device was developed for the quantification of sarcosine via electrochemical detection of H2O2 (at 0.6 V) generated from the catalyzed oxidation of sarcosine. The detection was carried out after the modification of carbon screen printed electrodes (SPEs) by immobilization of sarcosine oxidase (SOX) on the electrode surface. The strategies used herein included the activation of the carbon films by an electrochemical step and the formation of an NHS/EDAC layer to bond the enzyme to the electrode, the use of metallic or semiconductor nanoparticles layer previously or during the enzyme immobilization. In order to improve the sensor stability and selectivity a polymeric layer with extra enzyme content was further added. The proposed methodology for the detection of sarcosine allowed obtaining a limit of detection (LOD) of 16 nM, using a linear concentration range between 10 and 100 nM. The biosensor was successfully applied to the analysis of sarcosine in urine samples.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

XIX Meeting of the Portuguese Electrochemical Society - XVI Iberic Meeting of Electrochemistry