Metodologias de controlo e diagnóstico de falhas com aplicação em motores de corrente contínua

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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.

Discrete fractional order system vibrations

A theory of free vibrations of discrete fractional order (FO) systems with a finite number of degrees of freedom (dof) is developed. A FO system with a finite number of dof is defined by means of three matrices: mass inertia, system rigidity and FO elements. By adopting a matrix formulation, a mathematical description of FO discrete system free vibrations is determined in the form of coupled fractional order differential equations (FODE). The corresponding solutions in analytical form, for the special case of the matrix of FO properties elements, are determined and expressed as a polynomial series along time. For the eigen characteristic numbers, the system eigen main coordinates and the independent eigen FO modes are determined. A generalized function of visoelastic creep FO dissipation of energy and generalized forces of system with no ideal visoelastic creep FO dissipation of energy for generalized coordinates are formulated. Extended Lagrange FODE of second kind, for FO system dynamics, are also introduced. Two examples of FO chain systems are analyzed and the corresponding eigen characteristic numbers determined. It is shown that the oscillatory phenomena of a FO mechanical chain have analogies to electrical FO circuits. A FO electrical resistor is introduced and its constitutive voltage–current is formulated. Also a function of thermal energy FO dissipation of a FO electrical relation is discussed.

Stochastic model of transcription initiation of closely spaced promoters in escherichia coli

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Introducing numerical analysis tools in engineering: a Scilab user case in electronics course

Software tools in education became popular since the widespread of personal computers. Engineering courses lead the way in this development and these tools became almost a standard. Engineering graduates are familiar with numerical analysis tools but also with simulators (e.g. electronic circuits), computer assisted design tools and others, depending on the degree. One of the main problems with these tools is when and how to start use them so that they can be beneficial to students and not mere substitutes for potentially difficult calculations or design. In this paper a software tool to be used by first year students in electronics/electricity courses is presented. The growing acknowledgement and acceptance of open source software lead to the choice of an open source software tool – Scilab, which is a numerical analysis tool – to develop a toolbox. The toolbox was developed to be used as standalone or integrated in an e-learning platform. The e-learning platform used was Moodle. The first approach was to assess the mathematical skills necessary to solve all the problems related to electronics and electricity courses. Analysing the existing circuit simulators software tools, it is clear that even though they are very helpful by showing the end result they are not so effective in the process of the students studying and self learning since they show results but not intermediate steps which are crucial in problems that involve derivatives or integrals. Also, they are not very effective in obtaining graphical results that could be used to elaborate reports and for an overall better comprehension of the results. The developed tool was based on the numerical analysis software Scilab and is a toolbox that gives their users the opportunity to obtain the end results of a circuit analysis but also the expressions obtained when derivative and integrals calculations, plot signals, obtain vector diagrams, etc. The toolbox runs entirely in the Moodle web platform and provides the same results as the standalone application. The students can use the toolbox through the web platform (in computers where they don't have installation privileges) or in their personal computers by installing both the Scilab software and the toolbox. This approach was designed for first year students from all engineering degrees that have electronics/electricity courses in their curricula.

Effects of Acute Autonomic Modulation on Atrial Conduction Delay and Local Electrograms Duration in Paroxysmal Atrial Fibrillation

Slowed atrial conduction may contribute to reentry circuits and vulnerability for atrial fibrillation (AF). The autonomic nervous system (ANS) has modulating effects on electrophysiological properties. However, complex interactions of the ANS with the arrhythmogenic substrate make it difficult to understand the mechanisms underlying induction and maintenance of AF. AIM: To determine the effect of acute ANS modulation in atrial activation times in patients (P) with paroxysmal AF (PAF). METHODS AND RESULTS: 16P (9 men; 59±14years) with PAF, who underwent electrophysiological study before AF ablation, and 15P (7 men; 58±11years) with atrioventricular nodal reentry tachycardia, without documentation or induction of AF (control group). Each group included 7P with arterial hypertension but without underlying structural heart disease. The study was performed while off drugs. Multipolar catheters were placed at the high right atrium (HRA), right atrial appendage (RAA), coronary sinus (CS) and His bundle area (His). At baseline and with HRA pacing (600ms, shortest propagated S2) we measured: i) intra-atrial conduction time (IACT, between RAA and atrial deflection in the distal His), ii) inter-atrial conduction time (interACT, between RAA and distal CS), iii) left atrial activation time (LAAT, between atrial deflection in the distal His and distal CS), iv) bipolar electrogram duration at four atrial sites (RAA, His, proximal and distal CS). In the PAF group, measurements were also determined during handgrip and carotid sinus massage (CSM), and after pharmacological blockade of the ANS (ANSB). AF was induced by HRA programmed stimulation in 56% (self-limited - 6; sustained - 3), 68.8% (self-limited - 6; sustained - 5), and 50% (self-limited - 5; sustained - 3) of the P, in basal, during ANS maneuvers, and after ANSB, respectively (p=NS). IACT, interACT and LAAT significantly lengthened during HRA pacing in both groups (600ms, S2). P with PAF have longer IACT (p<0.05), a higher increase in both IACT, interACT (p<0.01) and electrograms duration (p<0.05) with S2, and more fragmented activity, compared with the control group. Atrial conduction times and electrograms duration were not significantly changed during ANS stimulation. Nevertheless, ANS maneuvers increased heterogeneity of the local electrograms duration. Also, P with sustained AF showed longer interACT and LAAT during CSM. CONCLUSION: Atrial conduction times, electrograms duration and fractionated activity are increased in PAF, suggesting a role for conduction delays in the arrhythmogenic substrate. Acute vagal stimulation is associated with prolonged interACT and LAAT in P with inducible sustained AF and ANS modulation may influence the heterogeneity of atrial electrograms duration.

Estado da Arte da Computação Evolutiva Aplicada à Eletrónica

A Computação Evolutiva enquadra-se na área da Inteligência Artificial e é um ramo das ciências da computação que tem vindo a ser aplicado na resolução de problemas em diversas áreas da Engenharia. Este trabalho apresenta o estado da arte da Computação Evolutiva, assim como algumas das suas aplicações no ramo da eletrónica, denominada Eletrónica Evolutiva (ou Hardware Evolutivo), enfatizando a síntese de circuitos digitais combinatórios. Em primeiro lugar apresenta-se a Inteligência Artificial, passando à Computação Evolutiva, nas suas principais vertentes: os Algoritmos Evolutivos baseados no processo da evolução das espécies de Charles Darwin e a Inteligência dos Enxames baseada no comportamento coletivo de alguns animais. No que diz respeito aos Algoritmos Evolutivos, descrevem-se as estratégias evolutivas, a programação genética, a programação evolutiva e com maior ênfase, os Algoritmos Genéticos. Em relação à Inteligência dos Enxames, descreve-se a otimização por colônia de formigas e a otimização por enxame de partículas. Em simultâneo realizou-se também um estudo da Eletrónica Evolutiva, explicando sucintamente algumas das áreas de aplicação, entre elas: a robótica, as FPGA, o roteamento de placas de circuito impresso, a síntese de circuitos digitais e analógicos, as telecomunicações e os controladores. A título de concretizar o estudo efetuado, apresenta-se um caso de estudo da aplicação dos algoritmos genéticos na síntese de circuitos digitais combinatórios, com base na análise e comparação de três referências de autores distintos. Com este estudo foi possível comparar, não só os resultados obtidos por cada um dos autores, mas também a forma como os algoritmos genéticos foram implementados, nomeadamente no que diz respeito aos parâmetros, operadores genéticos utilizados, função de avaliação, implementação em hardware e tipo de codificação do circuito.

Transgenerational Inheritance of Paternal Neurobehavioral Phenotypes: Stress, Addiction, Ageing and Metabolism

Epigenetic modulation is found to get involved in multiple neurobehavioral processes. It is believed that different types of environmental stimuli could alter the epigenome of the whole brain or related neural circuits, subsequently contributing to the long-lasting neural plasticity of certain behavioral phenotypes. While the maternal influence on the health of offsprings has been long recognized, recent findings highlight an alternative way for neurobehavioral phenotypes to be passed on to the next generation, i.e., through the male germ line. In this review, we focus specifically on the transgenerational modulation induced by environmental stress, drugs of abuse, and other physical or mental changes (e.g., ageing, metabolism, fear) in fathers, and recapitulate the underlying mechanisms potentially mediating the alterations in epigenome or gene expression of offsprings. Together, these findings suggest that the inheritance of phenotypic traits through male germ-line epigenome may represent the unique manner of adaptation during evolution. Hence, more attention should be paid to the paternal health, given its equivalently important role in affecting neurobehaviors of descendants.

Estudo da qualidade de processos na fabricação de semicondutores

A indústria de semicondutores é um sector em permanente evolução tecnológica. A tendência de miniaturização e de otimização do espaço, a necessidade de produzir circuitos cada vez mais complexos, a tendência para o incremento do número de camadas em cada circuito integrado, são as condições necessárias para que a evolução tecnológica nesta área seja uma constante. Os processos ligados à produção de semicondutores estão também em permanente evolução, dada a pressão efetuada pelas necessidades acima expostas. Os equipamentos necessitam de uma crescente precisão, a qual tem que ser acompanhada de procedimentos rigorosos para que a qualidade atingida tenha sempre o patamar desejado. No entanto, a constante evolução nem sempre permite um adequado levantamento de todas as causas que estão na origem de alguns problemas detetados na fabricação de semicondutores. Este trabalho teve por objetivo efetuar um levantamento dos processos ligados ao fabrico de semicondutores a partir de uma pastilha de silício (wafer) previamente realizada, identificando para cada processo os possíveis defeitos introduzidos pelo mesmo, procurando inventariar as causas possíveis que possam estar na origem desse defeito e realizar procedimentos que permitam criar regras e procedimentos perfeitamente estabelecidos que permitam aprender com os erros e evitar que os mesmos problemas se possam vir a repetir em situações análogas em outros produtos de uma mesma família.

Design of switched-capacitor filters using low gain amplifiers

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Aplicação das FPAA na realização de sistemas de ordem fraccionária

Esta tese de dissertação tem como principal objetivo a implementação de controladores fracionários utilizando diapositivos analógicos FPAA (Field Programable Analog Array). Embora estes dispositivos já não sejam um tecnologia recente, não tiveram grande aceitação comercial, daí não ter sido grande a sua evolução nesta última década. Mas para a elaboração de alguns circuitos analógicos, nomeadamente filtros, amplificadores e mesmo controladores PID (Proporcional-Integrativo-Derivativo) analógicos torna-se numa ferramenta que pode facilitar o projeto e implementação. Para a realização deste estudo, utilizou-se a placa de desenvolvimento da Anadigm AN231K04-DVLP3 juntamente com o software disponibilizado pela mesma empresa, o AnadigmDesigner2. Para a simulação e observação dos resultados foi utilizada a DAQ (Data Acquisition) Hilink da Zelton juntamente com o software Matlab. De forma a testar a implementação dos controladores fracionários nas FPAA foram realizados alguns circuitos no software e enviados para a FPAA comparando os resultados obtidos na simulação com os visualizados no osciloscópio. Por último foi projetado um controlador PIlDm recorrendo aos métodos de aproximação inteira descritos neste documento implementados na FPAA recorrendo ao uso de filtros de primeira e segunda ordem.

Pipelined analog-to-digital conversion using current-mode reference shifting

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Conceção de um tutorial de Iniciação ao co-projeto de Hardware/software

A crescente evolução dos dispositivos contendo circuitos integrados, em especial os FPGAs (Field Programmable Logic Arrays) e atualmente os System on a chip (SoCs) baseados em FPGAs, juntamente com a evolução das ferramentas, tem deixado um espaço entre o lançamento e a produção de materiais didáticos que auxiliem os engenheiros no Co- Projecto de hardware/software a partir dessas tecnologias. Com o intuito de auxiliar na redução desse intervalo temporal, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de documentos (tutoriais) direcionados a duas tecnologias recentes: a ferramenta de desenvolvimento de hardware/software VIVADO; e o SoC Zynq-7000, Z-7010, ambos desenvolvidos pela Xilinx. Os documentos produzidos são baseados num projeto básico totalmente implementado em lógica programável e do mesmo projeto implementado através do processador programável embarcado, para que seja possível avaliar o fluxo de projeto da ferramenta para um projeto totalmente implementado em hardware e o fluxo de projeto para o mesmo projeto implementado numa estrutura de harware/software.

Controller implementation using analog reconfigurable hardware (FPAA)

This Thesis has the main target to make a research about FPAA/dpASPs devices and technologies applied to control systems. These devices provide easy way to emulate analog circuits that can be reconfigurable by programming tools from manufactures and in case of dpASPs are able to be dynamically reconfigurable on the fly. It is described different kinds of technologies commercially available and also academic projects from researcher groups. These technologies are very recent and are in ramp up development to achieve a level of flexibility and integration to penetrate more easily the market. As occurs with CPLD/FPGAs, the FPAA/dpASPs technologies have the target to increase the productivity, reducing the development time and make easier future hardware reconfigurations reducing the costs. FPAA/dpAsps still have some limitations comparing with the classic analog circuits due to lower working frequencies and emulation of complex circuits that require more components inside the integrated circuit. However, they have great advantages in sensor signal condition, filter circuits and control systems. This thesis focuses practical implementations of these technologies to control system PID controllers. The result of the experiments confirms the efficacy of FPAA/dpASPs on signal condition and control systems.

On-line system for faults detection in induction motors based on PCA

Dissertation to obtain the degree of Master in Electrical and Computer Engineering