Experimental validation of a 3-D vision-based measurement system applied to robot calibration

One of the problems that slows the development of off-line programming is the low static and dynamic positioning accuracy of robots. Robot calibration improves the positioning accuracy and can also be used as a diagnostic tool in robot production and maintenance. A large number of robot measurement systems are now available commercially. Yet, there is a dearth of systems that are portable, accurate and low cost. In this work a measurement system that can fill this gap in local calibration is presented. The measurement system consists of a single CCD camera mounted on the robot tool flange with a wide angle lens, and uses space resection models to measure the end-effector pose relative to a world coordinate system, considering radial distortions. Scale factors and image center are obtained with innovative techniques, making use of a multiview approach. The target plate consists of a grid of white dots impressed on a black photographic paper, and mounted on the sides of a 90-degree angle plate. Results show that the achieved average accuracy varies from 0.2mm to 0.4mm, at distances from the target from 600mm to 1000mm respectively, with different camera orientations.

Optimal design of 3R manipulators by using classical techniques and simulated annealin

In this paper, the optimum design of 3R manipulators is formulated and solved by using an algebraic formulation of workspace boundary. A manipulator design can be approached as a problem of optimization, in which the objective functions are the size of the manipulator and workspace volume; and the constrains can be given as a prescribed workspace volume. The numerical solution of the optimization problem is investigated by using two different numerical techniques, namely, sequential quadratic programming and simulated annealing. Numerical examples illustrate a design procedure and show the efficiency of the proposed algorithms.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Energy and Dynamics of the solar agricultural robot "SolarSprayer"

The main objective of the present study was to design an agricultural robot, which work is based on the generation of the electricity by the solar panel. To achieve the proper operation of the robot according to the assumed working cycle the detailed design of the main equipment was made. By analysing the possible areas of implementation together with developments, the economic forecast was held. As a result a decision about possibility of such device working in agricultural sector was made and the probable topics of the further study were found out.

Streptozotocin-induced mechanical hypernociception is not dependent on hyperglycemia

Since streptozotocin (STZ)-induced diabetes is a widely used model of painful diabetic neuropathy, the aim of the present study was to design a rational protocol to investigate whether the development of mechanical hypernociception induced by STZ depends exclusively on hyperglycemia. Male Wistar rats (180-200 g; N = 6-7 per group) received a single intravenous injection of STZ at three different doses (10, 20, or 40 mg/kg). Only the higher dose (40 mg/kg) induced a significant increase in blood glucose levels, glucose tolerance and deficiency in weight gain. However, all STZ-treated rats (hyperglycemic or not) developed persistent (for at least 20 days) and indistinguishable bilateral mechanical hypernociception that was not prevented by daily insulin treatment (2 IU twice a day, sc). Systemic morphine (2 mg/kg) but not local (intraplantar) morphine treatment (8 µg/paw) significantly inhibited the mechanical hypernociception induced by STZ (10 or 40 mg/kg). In addition, intraplantar injection of STZ at doses that did not cause hyperglycemia (30, 100 or 300 µg/paw) induced ipsilateral mechanical hypernociception for at least 8 h that was inhibited by local and systemic morphine treatment (8 µg/paw or 2 mg/kg, respectively), but not by dexamethasone (1 mg/kg, sc). The results of this study demonstrate that systemic administration of STZ induces mechanical hypernociception that does not depend on hyperglycemia and intraplantar STZ induces mechanical sensitization of primary sensory neurons responsive to local morphine treatment.

Quadcopter assistant for a mobile assembly robot

Science has revolutionized the human life. The advance progress in science and research is making human life easier and more comfortable. The new and emerging technology of micro drone is penetrating and widening the scientific research. This thesis is a part of work in which a unique work is carried out, although related research paper and journal are available. Design and development of automatic charging station for a ready to fly quadcopter is rare and unusual work. The work is carried out as an standard engineering process that include requirements gathering, creating the required document (this thesis is a part of required document as well), selection of suitable hardware, configuring the hardware, generate the code for software, uploading code to the microcontroller, troubleshooting and rectification, finalized prototype and testing. Thesis describe how mechatronics engineering is useful in generating a customized and unique project. At the starting phase of this project (before purchasing a ready to fly quadcopter) every single aspect of this work was known. The only unknown alternatives was a battery and charger. Several task was achieved including design and development of automatic charging station, accurate landing and telecast a live video on additional screen. At starting it was decided that quadcopter should follow the mobile robot, during study it was concluded there is no such quadcopter available in market to auto follow a robot indoor. This works starts with a market survey and comparing the different brands of quadcopter that meets all the requirements and specifications of the mobile robot assembly. Selection of quadcopter is a result of discussion and meeting with the team members, supervisor, professor and project manage.

Design and Simulation of High-Speed Rotating Electrical Machinery

Global energy consumption has been increasing yearly and a big portion of it is used in rotating electrical machineries. It is clear that in these machines energy should be used efficiently. In this dissertation the aim is to improve the design process of high-speed electrical machines especially from the mechanical engineering perspective in order to achieve more reliable and efficient machines. The design process of high-speed machines is challenging due to high demands and several interactions between different engineering disciplines such as mechanical, electrical and energy engineering. A multidisciplinary design flow chart for a specific type of high-speed machine in which computer simulation is utilized is proposed. In addition to utilizing simulation parallel with the design process, two simulation studies are presented. The first is used to find the limits of two ball bearing models. The second is used to study the improvement of machine load capacity in a compressor application to exceed the limits of current machinery. The proposed flow chart and simulation studies show clearly that improvements in the high-speed machinery design process can be achieved. Engineers designing in high-speed machines can utilize the flow chart and simulation results as a guideline during the design phase to achieve more reliable and efficient machines that use energy efficiently in required different operation conditions.

Passive Solar Building Design Using Genetic Programming

Passive solar building design is the process of designing a building while considering sunlight exposure for receiving heat in winter and rejecting heat in summer. The main goal of a passive solar building design is to remove or reduce the need of mechanical and electrical systems for cooling and heating, and therefore saving energy costs and reducing environmental impact. This research will use evolutionary computation to design passive solar buildings. Evolutionary design is used in many research projects to build 3D models for structures automatically. In this research, we use a mixture of split grammar and string-rewriting for generating new 3D structures. To evaluate energy costs, the EnergyPlus system is used. This is a comprehensive building energy simulation system, which will be used alongside the genetic programming system. In addition, genetic programming will also consider other design and geometry characteristics of the building as search objectives, for example, window placement, building shape, size, and complexity. In passive solar designs, reducing energy that is needed for cooling and heating are two objectives of interest. Experiments show that smaller buildings with no windows and skylights are the most energy efficient models. Window heat gain is another objective used to encourage models to have windows. In addition, window and volume based objectives are tried. To examine the impact of environment on designs, experiments are run on five different geographic locations. Also, both single floor models and multi-floor models are examined in this research. According to the experiments, solutions from the experiments were consistent with respect to materials, sizes, and appearance, and satisfied problem constraints in all instances.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Influence of Si, Sb and Sr Additions on the Microstructure, Mechanical Properties and Corrosion Behavior of AZ91 Magnesium Alloy

All the exciting work on developing new and better alloys has led older alloys, such as AZ9l , being abandoned by researchers. lt is believed that the full potential of AZ9l in automotive design has not been realized. Whatever works have been carried out on AZ9lalloy to improve its mechanical properties are insufficient in terms of its potential usage in auto industries. Due to the fact that AZ91 offers high room temperature mechanical properties and good castability, still this alloy is a primary choice for the auto component manufactures. Small improvement in its creep properties will have a huge impact in the transportation industries. Hence, in the present work, “Influence of Si, Sb and Sr Additions on the Microstructure, Mechanical Properties and Corrosion Behavior of AZ91 Magnesium Alloy”, an attempt has been made to improve the creep properties of AZ9l alloy through minor alloying elemental additions and to understand its strengthening mechanisms. The effect of alloying additions on the ageing and tensile properties of AZ9l is also studied. In addition to that, role of various intermetallics formed due to the alloying additions on the corrosion properties of AZ9l alloy is investigated.

Theoretical Design and Synthesis of Donor-Acceptor Conjugated Polymers for Photovoltaic and NLO Applications

Polymers with conjugated π-electron backbone display unusual electronic properties such as low energy optical transition, low ionization potentials, and high electron affinities. The properties that make these materials attractive include a wide range of electrical conductivity, mechanical flexibility and thermal stability. Some of the potential applications of these conjugated polymers are in sensors, solar cells, field effect transistors, field emission and electrochromic displays, supercapacitors and energy storage. With recent advances in the stability of conjugated polymer materials, and improved control of properties, a growing number of applications are currently being explored. Some of the important applications of conducting polymers include: they are used in electrostatic materials, conducting adhesives, shielding against electromagnetic interference (EMI), artificial nerves, aircraft structures, diodes, and transistors.

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.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Design and Control of a Closed-Loop Brushless Torque Actuator

This report explores the design and control issues associated with a brushless actuator capable of achieving extremely high torque accuracy. Models of several different motor - sensor configurations were studied to determine dynamic characteristics. A reaction torque sensor fixed to the motor stator was implemented to decouple the transmission dynamics from the sensor. This resulted in a compact actuator with higher bandwidth and precision than could be obtained with an inline or joint sensor. Testing demonstrated that closed-loop torque accuracy was within 0.1%, and the mechanical bandwidth approached 300 Hz.