Novel active and passive anti-vibration mountings

This paper investigates a novel design approach for a vibration isolator for use in space structures. The approach used can particularly be applicable for aerospace structures that support high precision instrumentation such as satellite payloads. The isolator is a space-frame structure that is folded in on itself to act as a mechanical filter over a defined frequency range. The absence of viscoelastic elements in such a mounting makes the design suitable for use in a vacuum and in high temperature or harsh environments with no risk of drift in alignment of the structure. The design uses a genetic algorithm based geometric optimisation routine to maximise passive vibration isolation, and this is hybridised with a geometric feasibility search. To complement the passive isolation system, an active system is incorporated in the design to add damping. Experimental work to validate the feasibility of the approach is also presented, with the active/passive structure achieving transmissibility of about 19 dB over a range of 1-250 Hz. It is shown here that the use of these novel anti-vibration mountings has no or little consequent weight and cost penalties whilst maintaining their effectiveness with the vibration levels. The approach should pave the way for the design of anti-vibration mountings that can be used between most pieces of equipment and their supporting structure. Crown Copyright (C) 2011 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Voltage programmable dual-band bandpass/bandstop filter response in a single micro-electro-mechanical device

This paper reports on a switchable multi-band filter response achieved within a single micro-electro-mechanical device. A prototype device fabricated in a SOI process demonstrates a voltage programmable and tunable, dual-band, band-pass/band-stop response. Both analytical and finite element models are introduced in this paper to elucidate the operating principle of the filter and to guide filter design. Voltage programmability of the filter characteristic is demonstrated with the ability to independently tune the centre frequency and bandwidth for each band. A representative measurement shows that the minimum 3 dB-bandwidth (BW) is 155 Hz, 140Hz, and 20 dB-BW is 216 Hz, 203Hz for the upper-band and lower-band center frequencies located at 131.5 kHz and 130.7 kHz, respectively. © 2011 IEEE.

Identification of Mechanical Systems through Kautz Filter

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Solder joint defects classification using the Log-Gabor Filter, the Discrete Wavelet Transform and the Discrete Cosine Transform

Inspection of solder joints has been a critical process in the electronic manufacturing industry to reduce manufacturing cost, improve yield, and ensure project quality and reliability. This paper proposes the use of the Log-Gabor filter bank, Discrete Wavelet Transform and Discrete Cosine Transform for feature extraction of solder joint images on Printed Circuit Boards (PCBs). A distance based on the Mahalanobis Cosine metric is also presented for classification of five different types of solder joints. From the experimental results, this methodology achieved high accuracy and a well generalised performance. This can be an effective method to reduce cost and improve quality in the production of PCBs in the manufacturing industry.

Development and application of Palygorskite porous ceramsite in a biological aerated filter (BAF)

Novel filter Palygorskite porous ceramsite (PC) was prepared using Palygorskite clay, poreforming material sawdust, and sodium silicate with a mass ratio of 10:2:1 after sintering at 700°C for 180 min. PC was characterized with X-ray diffraction, X-ray fluorescence, scanning electron microscopy, elemental, and porosimetry. PC had a total porosity of 67% and specific surface area of 61 m2/g. In order to assess the usefulness of PC as a medium for biological aerated filters (BAF), PC and (commercially available ceramsite) CAC were used to treat wastewater city in two laboratory-scale upflow BAFs. The results showed that the reactor containing PC was more efficient than the reactor containing CAC in terms of total organic carbon (TOC), ammonia nitrogen (NH3-N), and the removal of total nitrogen (TN) and phosphorus (P). This system was found to be more efficient at water temperatures ranging from 20 to 26°C, an air–water (A/W) ratio of 3:1, dissolved oxygen concentration >4.00 mg/L, and hydraulic retention time (HRT) ranging from 0.5 to 7 h. The interconnected porous structure produced for PC was suitable for microbial growth, and primarily protozoan and metazoan organisms were found in the biofilm. Microorganism growth also showed that, under the same submerged culture conditions, the biological mass in PC was significantly higher than in CAC (34.1 and 2.2 mg TN/g, respectively). In this way, PC media can be considered suitable for the use as a medium in novel biological aerated filters for the simultaneous removal of nitrogen and phosphorus.

Mechanical filtering for narrow-band hearing in the weta

This paper constitutes a major attempt to associate tympanic deflections with the mechanoreceptor organ location in an acoustic insect. The New Zealand tree weta (Hemideina thoracica) has tympanal ears located on each of the prothoracic tibiae. The tympana exhibit a sclerotized oval plate, membranous processes bulging out from the tibial cuticle and many loosely suspended ripples. We used microscanning laser Doppler vibrometry to determine how such a tympanal membrane vibrates in response to sound and whether the sclerotized region plays a role in hearing. The tympanum displays a single resonance at the calling frequency of the male, an unusual example of an insect tympana acting as a narrow bandpass filter. Both tympana resonate in phase with the stimulus and with each other. Histological sections show that the tympanal area is divided into two distinct regions, as in other ensiferans. An oval plate lies in the middle of a thickened region and is surrounded by a transparent and uniformly thin region. It is hinged dorsally to the tympanal rim and thus resembles the model of a ‘hinged flap’. The thickened region appears to act as a damping mass on the oscillation of the thin region, and vibration displacement is reduced in this area. The thinner area vibrates with higher amplitude, inducing mechanical pressure on the dorsal area adjacent to the crista acustica. We present a new model showing how the thickened region might confer a mechanical gain onto the activation of the crista acustica sensory neurons during the sound-induced oscillations.

Wavefront filter for double-exposure holographic interferometry

Measurements of small phase shifts by double-exposure holographic interferometry are facilitated, and ambiguities in the sign of the phase shift eliminated, by introducing a background pattern of interference fringes. A simple and reliable optical system for this purpose utilizing a rotating wedge is described, with which fringes of any desired orientation and spacing can conveniently be obtained. It is shown how this system can be used under certain conditions for measurements of small mechanical deformations.

A Kushner-Stratonovich Monte Carlo filter applied to nonlinear dynamical system identification

A Monte Carlo filter, based on the idea of averaging over characteristics and fashioned after a particle-based time-discretized approximation to the Kushner-Stratonovich (KS) nonlinear filtering equation, is proposed. A key aspect of the new filter is the gain-like additive update, designed to approximate the innovation integral in the KS equation and implemented through an annealing-type iterative procedure, which is aimed at rendering the innovation (observation prediction mismatch) for a given time-step to a zero-mean Brownian increment corresponding to the measurement noise. This may be contrasted with the weight-based multiplicative updates in most particle filters that are known to precipitate the numerical problem of weight collapse within a finite-ensemble setting. A study to estimate the a-priori error bounds in the proposed scheme is undertaken. The numerical evidence, presently gathered from the assessed performance of the proposed and a few other competing filters on a class of nonlinear dynamic system identification and target tracking problems, is suggestive of the remarkably improved convergence and accuracy of the new filter. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Measurement of the Mechanical Properties of Filtercakes

In order to improve drilling mud design to cater for specific well situations, a more comprehensive knowledge and understanding of filter cake failure is needed. This paper describes experimental techniques aimed at directly probing the mechanical properties of filter cakes, without having to take into account artefacts due to fluid flow in the substrate. The use of rheometers allows us to determine shear yield stress and dynamic shear modulii of cakes grown on filter paper. A new scraping technique measures the strength and moisture profiles of typical filter cakes with a 0.1 mm resolution. This technique also allows us to probe the adhesion between the filter cake and its rock substrate. In addition, œdometer drained consolidation and unloading of a filter cake give us compression parameters useful for Cam Clay modelling. These independent measurements give similar results as to the elastic modulus of different filter cakes, showing an order of magnitude difference between water based and oil based cakes. We find that these standard cakes behave predominantly as purely elastic materials, with a sharp transition into plastic flow, allowing for the determination of a well-defined yield stress. The effect ofsolids loading on a given type of mud is also studied.

1.55-μm Si-based MOEMS optical tunable filter

A prototype 1.55-μm Si-based micro-opto-electro-mechanical-systems (MOEMS) tunable filter is fabricated, employing surface micromachining technology. Full-width-at-half-maximum (FWHM) of the transmission spectrum is 23 nm. The tuning range is 30 nm under 50-V applied voltage. The device can be readily integrated with resonant cavity enhanced (RCE) detector and vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) to fabricate tunable active devices.

1.3μm Si-Based MOEMS Optical Tunable Filter with a Tuning Range of 90nm

Optical filters capable of single control parameter-based wide tuning are implemented and studied. A prototype surface micromachined 1.3μm Si-based MOEMS (micro-opto-electro-mechanical-systems) tunable filter exhibits a continuous and large tuning range of 90 nm at 50 V tuning voltage. The filter can be integrated with Si-based photodetector in a low-cost component for coarse wavelength division multiplexing systems operating in the 1.3μm band.

Octavius 4D characterization for flattened and flattening filter free rotational deliveries

Purpose: In this study the Octavius detector 729 ionization chamber (IC) array with the Octavius 4D phantom was characterized for flattening filter (FF) and flattening filter free (FFF) static and rotational beams. The device was assessed for verification with FF and FFF RapidArc treatment plans.

Methods: The response of the detectors to field size, dose linearity, and dose rate were assessed for 6 MV FF beams and also 6 and 10 MV FFF beams. Dosimetric and mechanical accuracy of the detector array within the Octavius 4D rotational phantom was evaluated against measurements made using semiflex and pinpoint ionization chambers, and radiochromic film. Verification FF and FFF RapidArc plans were assessed using a gamma function with 3%/3 mm tolerances and 2%/2 mm tolerances and further analysis of these plans was undertaken using film and a second detector array with higher spatial resolution.

Results: A warm-up dose of >6 Gy was required for detector stability. Dose-rate measurements were stable across a range from 0.26 to 15 Gy/min and dose response was linear, although the device overestimated small doses compared with pinpoint ionization chamber measurements. Output factors agreed with ionization chamber measurements to within 0.6% for square fields of side between 3 and 25 cm and within 1.2% for 2 x 2 cm(2) fields. The Octavius 4D phantom was found to be consistent with measurements made with radiochromic film, where the gantry angle was found to be within 0.4. of that expected during rotational deliveries. RapidArc FF and FFF beams were found to have an accuracy of >97.9% and >90% of pixels passing 3%/3 mm and 2%/2 mm, respectively. Detector spatial resolution was observed to be a factor in determining the accurate delivery of each plan, particularly at steep dose gradients. This was confirmed using data from a second detector array with higher spatial resolution and with radiochromic film.

Conclusions: The Octavius 4D phantom with associated Octavius detector 729 ionization chamber array is a dosimetrically and mechanically stable device for pretreatment verification of FF and FFF RapidArc treatments. Further improvements may be possible through use of a detector array with higher spatial resolution (detector size and/or detector spacing). (C) 2013 American Association of Physicists in Medicine.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.